Релейный операционный усилитель Советский патент 1979 года по МПК G06G7/12 

. . I... . Иаобрегение относится к области усилительных устройств, работающих в релейном режиме, и может быть использовано в вычислительных машинах. Известно устройство с широтно имлуль нь1М преобразованием сигналов, содержащее интегр1атЬр,| пороговый элемент, схему регулирования частоты Ij, Однако это устройство имеет невысокую точность работы. Наиболее близким к данному изобрете нию является релейный операцйонЫй усилитель, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, основной инспегратор, сумматор, релейный элемент, третий сумматор, дополнительный , интегратор, четвертый сумматор, элемент с зоной нечувствительности, выход крторо го подключен к выходу устройства и второму входу третьего сумматора,, выход релейного элемента присоединен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен со входом устройства f 21 Это устройство характеризуется сравни тельно малой точностью вследствие изме- шения частоты, ав«роколебаний от величины входного сигнала. Целью изобретения является повышение точности работы. Это достигается тем, что в предлага- :емь1й релейный операционный усилитель введены соединенные последовательно выпрямительный блок и перемножитель, выход которого подключен ко вторым входам второго и 4eifBepToj4 сумматоров, вход выпрямительного блока присоединен ко входу устройства, другой вход перемножителя соединен с выходом релейного элемента. Функциональная схема релейного операционного усилителя изображена на фиг. 1, где обозначены ооаовной интегратор 1, релейный элемент 2, дополнительный интег ратор 3, элемент с зоной нечувствительности 4, выпрямительный блок 5, перемножитедь 6, первый, второй, третий и чет- ,

верть1й cyMMarofbi 7, 8, 9 и 10, вход 11 . усгройсгва, выход 12 устройства.

Устройство работает следующим образом.

Основной интегратор 1 и релейный элемент 2 образуют в совокупности звено, работающее в режиме автоколебаний. Пе- реключение релейного элемента 2 происходит при сигнале на его входе, ршвном порогам срабатывания. Выходной сигнал релейного элемента 2 представляет собой периодическое напряжение прямоугольной формы, положительные и отрицательные . импульсы которого по амплитуде равны и постояннзы.

При отсутствии входного сигнала на входе 11 устройства выходной сигнал основного интегратора 1 изменяется в отрицательном направлении до равенства отрицательному порогу срабатывания релейного элемента 2, Переключение релей-; ного элемента 2 приводит к йзменеиию . знака импульса его выходного напряжения

и выходное напряжение ОсновнЪго интегра-

тора 1 линейно изменяется (нарастает) от отрицательного значения порога сраба-, 1ывания релейного элемента 2 до вго по I ложительного значения порога срабатывания . При этом вновь прби сходит перёклзочение релейного элемента 2. В дальнейшем процесс перйОДичесжи побто ряегсй.

Вследствие равенства длительностей -положительных и отрицательных импульсов выходного напряжения релейного элемента 2 среднее значение импульсов за период автоколебаний равно нулю.

Напряжение с выхода релейного эле- . Мента 2 через дополнительный йнтегратор 3 подается на вход элемента с зоной нечувствительности 4. Параметры дополнительного интегратора 3 и элемента с зоной нечувствительности 4 выёиршотся

такими, что при нулевом сигнале ни вхо де 11 выходное напряжение дополнительного интегратора 3 не превышает зоны нечувствительности элемента 4. ПриЭтом напряжение на выходе 12 устройства отсутствует.

На фиг. 2а изображены эшоры выходных напряжений основного интегратора 1 Vf4 и релейного элемента 2U№lx.,dnpH сигнале на входе 11 положительной полярности. На интервале ii скорость изйёнеаая выходного напряжения основного интегратора 1 определяется разностью амплитуд выходного напряжения релейного элемента 2 и сигнала на входе 11, а на интервале tg скорость изменения за-

висит от суммы указанных сигналов. В результате за период автоколебаний среднее значение выходного. напряжения релейного элемента 2 устанавливается пропорциональным; величине сигнала на входе 1.1...,

При сигнале на входе 11, отличном от нуля, выходное напряжение дополнительного интегратора 3 перемещается вертикально относительно зоны нечувствительности элемента 4, как показано на фкг. 26. При, положительном, сигнале на входе 11 выходное напряжение дополнительного интегратораЗ на фиг. 26) нарастает до границы зоны нечувствительности С элемента с. зоной нечувствительности 4.

В момент равенства этих напряжений на выходе элемента с зоной нечувствидельности 4 формируется импульс напряжения положительной полярности, как показано на фиг. 2в, который через цепь обратной связи подается на вход дополнитель.ного интегратора 3.

Учитывая, что выходные напряжения релейного элемента 2 и элемента с зоной, нечувствительности 4 противоположны по знаку, амплитуда напряжения на выходе 12 устройства ограничивается на уровне выходного/ напряжения релейного элемента . 2, а выходное напряжение дополнительного интегратора становится равным величине положительного значения зоны нечувст Вйгельности элемента 4.

Синхронно с измерением знака выходного напряжения релейного элемента 2 про- . ИСХОДИТ уменьшение выходного напряжения дополнительного интегратора 3 и элемент с 1аОной нечувствительности 4 выключается.. , .

Длительность импульса напряжения на

выходе 12 устройства (фйг. 2в) равна /ВТ.К

и п

(1)

инп

6

где

-относительное значение порога срабатывания релейного элемента 2j

Та

-постоянная времекк основного интегратора 1; .

Шмх- относительная величина сигнала на входе 11 ус.тройсгва; U6WX - амплитуда импульса на выходе

12 устройства;

Кп - коэффициент передачи релейного операционного усйлйтеля. За время ta (фйг 2а) выходное напряг женйе дополнительного интегратора 3 не усзловает достигнуть отрицательного уров-, ня зоны нечувствительности элемента 4, в реауйьгате чето на вызсоде 12 релейно го операционного усилителя формируются однополярные импульсы напряжений, среднее значение которых за период автоколебанийпропорционально величине сигнала на вход 11. Полярнос гь выходного напряжения епределяется знаком сигнала на входе 11. При отрицательном значении сигнала на входе 11 принцип-рабоны устройства аналогичев, но с той разницей, что вь1ходное напряжение дополнительного ийТбГратО ра 3 смешается вертикально относительно отрицательного значения зоны нечувствительносгв и выходные импульсы элемента с зоной нечувствительности 4, т.е. на выходе 12, имеют отрицательную полярность. Интервал паузы между выходными импульсами ре лейного операционного усилителя равен « a l+dCKn Перемножитель 6 представляет собой амплитудный модулятор, выходной сигнал которого представляет собой прямоуголь ные импульсы, по. амплитуде равные выходному напряжению выгфямительного блока 5, полярность которых противоположна полярности импульсов ВЫХОДНО1Х) напряже- ния релейного элемента 2. При нулевом сигнале на входе 11 устройства выходное напряжения перемножитёля 6 равно нулю. Предположим, что сигнал на входе 11 . соответствует уровню, изображенному на фиг. За. При атом на один вход перемно- жителя 6 подается сигнал, пропорциональный Модулю Сигнала на входе 11 (фиг. Зб а на другой вход поступают импульсы с выхода релёйшэго элемента 2. На выходе перемножителя б формируются импульсы, изображенные на.фиг. Зв, которые подаются на второй и чётвер1Ъ й сумматоры 8 и 10. При наличии, на Iвыходе релейного элемента 2 импульса отрицательной поляр ности (фиг. Зг) на второй сумматор 8 по дается импулье положительной полярности (фиг. Зв). Это ыдаывает эквивалентное изменение положительного порога переключения релейного элемента 2 на Ьелйчйну Ag (фиг. Зг), Длительность t ВЫХОДНО1Ч) напряжения релейного элемен-

674040 та 2 (фиг. 2а) уменьшается до значения i.i (фиг. Зг). В интервале времени, со- . отвёгствующемсовйадёнию знаков сигнала на входе 11 и напряжения на выходе 12, на второй сумматор 8 поступает импульс отрицательной полярности, что также вызывает уменьшение отрицательного порога срабатывания релейного элемента 2 на величину А В (фиг. Зг).В результате интервал времени i (фиг. 2а)уменыйается до значения t (фиг. Зг). Частота следовйния импульсов на выходе 12 устройства линейно возрастает с увеличением сигнала на входе 11 и равна С ростом величины сигнала ни входе 11, например до значения -Щч (фиг. Зд) амплитуда сигнала на выходе перемножителя 6 увеличивается (фиг. Зе), а пороги срабатывания релейного элемента 2 уменьшаются на величину fu а UB| (фиг. Зж). Вььходной ситаал перемножитёля 6 подается и на четвертый сумматор Ю.При этом одновременно с уменьшением порогов переключения релейного элемента 2. (фиг. 46} происходит пропорциональное изменение (уменыпение) зоны нечувствительности элемента 4 на величину (фвг. 46; в-)гВ интервале паузы между импуль- сам и на выходе 12 выходное напряжение до- , полнительного интегратора 3 (фиг. 4в) не уопевает досташуть уровня - с-(-дС) включения элемента с зоной нечувствительности 4, что обеспечивает однополярность импульсов на выходе 12 (фиг. 4г). При изменении знака сигнала на входе . 11 устройство работает аналогично, В устройстве-прототипе частота выходных импульсов релейнозго усилителя изменяется (y eньшaeтcя) с ростом входного сигнала по нораболическому закону. Если входной сигнал релейного операционного усилителя изменяется (кроме постоянной составляющей содержит также и перемен- ную составляющую, например гармоническую), то полоса пропускания релейного операционного усилителя динамической составляющей входного сигнала будет завн . сить от величины постоянного уровня входного сигнала,, т,е. с ростом величины входного сигнала динамические возможности релейного операционного усилителя ухудшаются.

В предложенном . релейном операдионном усилителе благодаря его конструктив-. ным отличиям, обеспечивается линейный закон изменения частоты выходных им

ггульобв релейного операционноххэ усилителя (см. выражение 4), причем частота выходных импульсов линейно увелинйвает« ся с ростом сигнала на входе 11. Следов вательно, полоса равномерного пропускаия частот устройства расширяется при увеличении постоянной составляющей входноге сигнала, а точность отработки и динамической составляющей входного сигма ла возрастает. Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я

Релейный операционный усилитель, coi дер1жащий последовательно соединённые первый сумматор, основной интегратор, второй сумматор релейный элемент, третий cyMMaiTop, дополнительный. интегратор,

четвертый сумматор, элемент с зоной чувствительности, выход KOTopoJTO под кгаочен к выходу усгройствй и второму

входу третьего сумматора, выход релайно го элемента присоединен ко второму входу первого сумматора, первый вход которо гр соединен со входом устройства, отличающийся тем, что, ci целью повышения точности работы, в него введейь1 соединенные последовательно выпрямительный блок и перемножитель1 выход ко- торого подключен ко вторым входам второго и четвертого) сумматоров, вход выпрямительного блока присоединен ко входу устройства, другой вход перешюжигеля соединен с выходом релейного элемента. . .

J Источники информации, приняные во внимание 1ФИ экспертизе

1. Патент США № 3551847. .кя, 331-143, 1970.

; 2. Т.. Корн, Т. Корн Электронные аналогюБые и аналого-цифровые вычислительШе машинь, т. 2, изД. Мир, 1967, с. 36О-361, фиг. 7.15.