Коммутатор с переменой знака выходного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H03K17/687 

Изобретение относится к аналоговой измерительной технике и автоматике и предназначено для использования в системах сбора, обработки и преобразования аналоговой информации.

Известен коммутатор с переменой знака выходного напряжения, содержащий пять резисторов, операционный усилитель и аналоговый ключ, управляющий вход которого является управляющим входом коммутатора, аналоговый вход подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и через первый резистор - к входной шине, а выход - через второй резистор к шине нулевого потенциала и через третий резистор - к выходной шине и к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через четвертый резистор подключен к входной шине,-а через пятый - к выходной.

Недостаток коммутатора заключается в низком быстродействии, обусловленном большим временем установления операционного усилителя при переключении управляющего сигнала, Также данный коммутатор имеет существенную погрешность, вызываемую током утечки закрытого ключа, несогласованностью сопротивлений резисторов и открытого ключа и низким входным сопротивлением при инвертирова- ни входного сигнала от высокоомного датчика.

Известен также коммутатор с переменой знака выходного напряжения, содержащий аналоговый переключатель и два операционных усилителя, вход первого из которых, включенного инвертором, является входом коммутатора, а выход второго - выходом коммутатора, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен через первый резистор к выходу второго операционного усилителя, а через второй резистор - к выходу первого операционного усилителя и к нормально разомкнутому выходу аналогового переключателя, нормально замкнутый выход которого подключен к шине нулевого потенциала, а аналоговый вход - к неинвер- тирующему входу второго операционного усилителя.

Недостаток данного коммутатора заключается в низком быстродействии, обусловленном большим временем установления второго операционного усилителя при переключении управляющего сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является коммутатор с переменой знака - в ыходного напряжения, содержащий аналоговый переключатель, три операционных усилителя и три резистора, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с входной шиной и через третий резистор - со

своим выходом и с нормально замкнутым выходом аналогового переключателя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а его инвертирующий вход соединен с неинвер0 тирующим входом первого операционного усилителя, через первый резистор - с выходом второго операционного усилителя и с нормально разомкнутым выходом аналогового переключателя, а через второй рези5 стор - с нормально замкнутым выходом аналогового переключателя, управляющий вход которого соединен с шиной управления, а аналоговый вход - с неинвертирующим входом третьего операционного

0 усилителя, выход которого соединен с инвертирующим входом и с выходной шиной. Недостаток данного коммутатора также .заключается в низком быстродействии, обусловленном большим временем установ5 ления третьего операционного усилителя при переключении управляющего сигнала. Исключить же из коммутатора третий операционный усилитель, включенный повторителем, для большинства случаев реальных

0 сопротивлений нагрузок (от сотен Ом до 1 МОм) в прецизионных устройствах невозможно из-за появления при этом большой по величине составляющей погрешности, обусловленной температурным и времен5 ным изменением сопротивления включенного канала аналогового переключателя, а также разной величиной сопротивлений каналов аналогового переключателя и изменением сопротивления нагрузки.

0 Цель изобретения - повышение быстродействия коммутатора.

Указанная цель достигается тем, что в известный коммутатор с переменой знака выходного напряжения, содержащий пер5 вый аналоговый переключатель, первый и второй операционные усилители, первый, второй и третий резисторы, инвертирующий вход перво-о операционного усилителя соединен с входной шиной, неинвертирующий

0 вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, инвертирующий вход второго операционного усилителя через первый резистор соединен с нормально разомкнутым выходом первого аналогового

5 переключателя, а через второй резистор - с первым выводом третьего резистора и с нормально замкнутым выходом первого аналогового переключателя, управляющий .. вход которого подключен к шине управления, дополнительно введены второй и третий аналоговые переключатели, управляющие входы которых соединены с шиной управления, а аналоговые входы подключены соответственно к выходу и неинвертирующему входу первого операционного усили- 5 теля, нормально разомкнутый выход третьего аналогового переключателя соединен с нормально замкнутым выходом второго аналогового переключателя, с нормально разомкнутым выходом первого аналогового 10 переключателя и с выходной шиной, нормально замкнутый выход третьего аналогового переключателя подключен к нормально разомкнутому выходу второго аналогового переключателя и первому вы- 15 воду третьего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого подключен к аналоговому входу первого аналогового переключателя. 20

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Коммутатор с переменой знака выходного напряжения содержит первый аналоговый переключатель 1, первый 2 и второй 25 3 операционные усилители, первый 4, второй 5 и третий 6 резисторы. Инвертирующий вход первого операционного усилителя 2 соединен с входной шиной 7, неинвертирующий вход второго операционного усили- 30 теля 3 подключен к общей шине 8, инвертирующий вход второго операционного усилителя 3 через первый резистор 4 соединен с нормально разомкнутым выходом первого аналогового переключателя 1, а 35 / через второй резистор 5 - с первым выводом третьего резистора бис нормально замкнутым выходом первого аналогового переключателя 1, управляющий вход которого подключен к шине 9 управления. В комму- 40 татор дополнительно введены второй 10 и третий 11 аналоговые переключатели, управляющие входы которых соединены с шиной 9 управления, а аналоговые входы подключены соответственно к выходу и не- 45 инвертирующему входу первого операционного усилителя 2, нормально разомкнутый выход третьего аналогового переключателя 11 соединен с нормально замкнутым выходом второго аналогового переключателя 10, 50 с нормально разомкнутым выходом первого аналогового переключателя 1 и с выходной шиной 12, нормально замкнутый выход третьего аналогового переключателя 11 подключен к нормально разомкнутому вы- 55 ходу второго аналогового переключателя 10 и к первому выводу третьего резистора 6, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 3, выход которого подключен к

аналоговому входу первого аналогового переключателя 1.

Коммутатор с переменой знака выходного напряжения работает следующим образом.

Предположим, что с шины 9 управления на управляющие входы аналоговых переключателей 1, 10 и 11 поступает нулевой уровень. При этом аналоговые переключатели 1, 10 и 11 установлены в состояние, в котором их аналоговые входы соединены с нормально замкнутыми выходами. Входное напряжение поступает с входной шины 7 на инвертирующий вход первого операционного усилителя 2. Проинвертированное значение входного напряжения поступает с выхода первого операционного усилителя 2 через второй аналоговый переключатель 10 на выходную шину 12 и на первый резистор

4,являющийся входом инвертора напряжения, выполненного на втором операционном усилителе 3 и резисторах 4 и 5, Напряжение с выхода второго операционного усилителя 3, совпадающее по знаку с напряжением на входной шине 7, поступает через первый аналоговый переключатель 1 на второй резистор 5 обратной связи и на третий резистор 6. сопротивление которого (Re) равно сопротивлению нагрузки (RH) на выходной шине 12. Напряжение с третьего резистора 6 через третий аналоговый переключатель 11 поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 2, замыкая контур общей отрицательной обратной связи. Для того, чтобы выходное напряжение соответствовало по абсолютной величине входному, необходимо иметь коэффициент передачи инвертора напряжения, выполненного на втором операционном усилителе 3 и резисторах 4 и

5,равный минус единице (-1), что обеспечивается при равенстве сопротивлений резисторов 4 и 5 (R Rs R). Таким образом, при нулевом уровне сигнала на шине 9 управления напряжение на выходной шине 12 равно Увых -Uex. где UBX - напряжение на входной шине 7.

Для изменения знака выходного напряжения через шину 9 управления на управляющие входы аналоговых переключателей 1, 10 и 11 выдается единичный уровень. При этом аналоговые переключатели 1, 10 и 11 установлены в состояние, в котором их аналоговые входы замкнуты с нормально разомкнутыми выходами. Входное напряжение поступает с входной шины 7 на инвертирующий вход первого операционного усилите- ля 2. Проинвертированное значение входного напряжения поступает с выхода первого операционного усилителя 2 через

второй аналоговый переключатель 10 на третий резистор 6 и второй резистор 5. являющийся входом инвертора напряжения, выполненного на втором операционном усилителе 3 и резисторах 4 и 5. Напряжение с выхода второго операционного усилителя 3, совпадающее по знаку с напряжением на входной шине 7, поступает через первый аналоговый переключатель 1 на резистор 4 обратной связи и на выходную шину 12. Напряжение с последней через аналоговый переключатель 11 поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя 2, замыкая контур общей отрицательной обратной связи. Таким образом, при единичном уровне сигнала на шине 9 управления напряжение на выходной шине 12 равно ивх. Сопротивление третьего резистора 6 (Re) выбирается равным сопротивлению нагрузки на шине 12 (Нн), а сопротивление первого резистора 4 (R4) равным сопротивлению второго резистора 5 (Rs), так как при этих условиях перепад напряжений на выходах операционных усилителей 2 и 3 при переключениях аналоговых переключателей 1,10 и 11 минимален и, соответственно, минимально время их установления после переключения. Действительно, время установления tyct операционных усилителей определяется по формуле

Густ -A-| L-Tt+2,3 Т, X

xlg (S -rt/e AUex), где AUex - перепад напряжений на входе операционного усилителя;

S - скорость нарастания выходного на- пряжения усилителя (например, S - 2,5 В/мкс для усилителя 140УД6А):

it - постоянная времени участка экспоненциального установления операционного усилителя (например, для биполярных операционных усилителей со сложной схемой

0.1В

входного каскада равна г

и, соответственно, для усилителя 140УД6А т «0,04 мкс);

Ј - требуемая погрешность установления значения выходного напряжения (например 8 10 ).

Перепад напряжения на входе третьего операционного усилителя ДиВх в известном устройстве в диапазоне входных напряжений ±10 В составляет AUex 20 В. В предлагаемом устройстве максимальный перепад напряжений на входе первого 2 и второго 3 операционных усилителей равен

AU

вх.тах

OYmax(ARKn + ARH),

где lovmax - максимальный выходной ток операционного усилителя при сопротивлении нагрузки RH (например, для 140УД6А и большинства других операционных усилителей этот ток равен 5 мА при минимально допустимом сопротивлении нагрузки RH - 2 кОм);

ARicn - разброс сопротивлений включенных ключей аналоговых переключателей

(например, при использовании аналоговых переключателей 590КН4 A RKn 500м);

A RH - разность сопротивлений нагрузки (RH) и сопротивлений третьего резистора (Re) (например, при минимальном допустимом сопротивлении нагрузки для операционного усилителя 140УД6А RH 2 кОм и согласованности сопротивления нагрузки и третьего резистора с точностью 10% ARH 200 Ом).

Предлагаемый коммутатор с переменой знака выходного напряжения может быть выполнен на серийно выпускаемых элементах. Например, он может быть выполнен на аналоговых переключателях двух микросхем - 590КН4, двух операционных усилителях 140УД6А и трех резисторах типа С2-29В. При этом максимальный перепад на входах операционных усилителей не превышает 1,25 В и время установления двух операционных усилителей, охваченных общей отрицательной обратной связью, не превышает 1,1 мкс. в то время, как в известном устройстве при тех же условиях перепад напряжения составляет 20 В и время установления

больше 8 мкс.

Предлагаемый коммутатор с переменой знака выходного напряжения по сравнению с известным за счет введения в него двух дополнительных аналоговых переключателей с соответствующими связями позволяет повысить быстродействие коммутации аналоговых сигналов за счет уменьшения времени установления операционных усилителей и обеспечить при этом высокую

точность коммутации положительных и отрицательных уровней входных сигналов. Указанные преимущества позволяют использовать предложенный коммутатор с переменой знака выходного напряжения в

прецизионных быстродействующих системах сбора, обработки и преобразования аналоговой информации.

Формула изобретения Коммутатор с переменой знака выходного напряжения, содержащий первый аналоговый переключатель, первый и второй операционные усилители, первый, второй и третий резисторы, инвертирующий вход

первого операционного усилителя соединен с входной шиной, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, инвертирующий вход второго операционного усилителя через первый резистор соединен с нормально разомкнутым выходом первого аналогового переключателя, а через второй резистор - с первым выводом третьего резистора и с нормально замкнутым выходом первого аналогового переключателя, управляющий вход которого подключен к шине управления, отличающийся тем, что. с целью повышения быстродействия, введены второй и третий аналоговые переключатели, управляющие входы которых соединены с шиной управления, а аналоговые входы под

ключены соответственно к выходу и неинвертирующему входу первого операционного усилителя, нормально разомкнутый выход третьего аналогового переключателя соединен с нормально замкнутым выходом второго аналогового переключателя, нормально разомкнутым выходом первого аналогового переключателя И выходной шиной, нормально замкнутый выход третьего аналогового переключателя подключен к нормально разомкнутому выходу второго аналогового переключателя и первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертйрующим входом второго операционного усилителя, выход которого подключен к аналоговому входу первого аналогового переключателя.