Аналоговый умножитель Советский патент 1980 года по МПК G06G7/16 G06G9/00 

1 ,;..;: ,:.. ..;. Изобретение относится к области аналоговых множительных устройств, к измерителям мощности постоянного и переменного токов в частности, у Известны аналоговые умножители, в частности для измерения монщости постоянного тока применяется умножитель, выполненный на. основе отдельного аналогового вычислительного устройства 1, которое очень сложное и дорогое. Оно содержит шесть операционньгх усилителей и четыре МОП-кдюча. Умножители этого типа обладают малым быстродействием, что не позволяет применить их для защить, например, интегральных схем от превышения и мощности потребления, а также их невозможности применить для измерения средней мощности переменного тока, т.е. когда, один из аргументов или исходных сигналов умножителя является постоянной или мало изменяющейся величиной X , а второй переменной - Y. Наиболее близким техническим решением к изобретению является аналоговый умножитель 2, который содержит первый операционный усилитель, к выходу которого подключен ВХОД оптоэлектрсжйрго устройства, т.е. два его диодных излуч)ателя. Выходы этих последовательно соединённых диЪДных излучателей управляют дву1Ля фотоприемниками, в качестве которых применены два фоторезистора, точка соединения двух последовательно соещшенных фоторезисторов является выходом оптоэлектронного устройства, к которому подключен неинвертируюЩий вход второго операционного усилителя, работающего в режиме повторителя напряжения. Выход йторого операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя. Один из входных сигналов постоянного тока X подается на неинвер тирующий вход первого операционного усилителя, второй сигнал сомножителя У, состоящий из двух величин У+С и У-С, где С -сЪУ 9Ьпромодулирован предварительно модулятором. Обе величины и У-С приложены к выходной части оптоэлектронного устройства, т.е. к двум последовательно соединенным фоторезисторам. Схема прототипа обеспечивает точное (порядка 0,1%) умножение только двух развязЕОйНых- друг от друга сигнаг . . . . 3 . .. .; ; ;7 лов (не имеющих общей точки соединения), прю)ем один из них -- постоянный сигнал X, другой - переменный У. Точное умножение обеспечивается благодаря предварительной модуляции одного из сигналов и дальнейшей обработке сигналов с помощью системы модулятор - усилитель переменного тока - демоду лятор. Недостатками этого устройства являются .невозможность получения однозначности произведения , когда один из аргументов X и У равен нулю, зто видно из схемы и урав нения прототипа Z - ( jV X у невозможность получения произведения в чистом виде, так как необходимо вычитать из него один из аргументов (X); невозможность непосредственного умножения сигналов постоянного ток малых уровней, обусловленная схемой устройства, в которой аргумент У Предварительно мо дулируется, добавляется постоян 1ая составляющая С, для чего требуется дополнительно моду лятор постоянного тока, а это ограничивает бь1стродействие канал У; малое быстродействие по обоим каналам умножения: X и У, так как в канале У применяется модулятор постоянного тока, а в канале. X - оптоэлектронное устройство с фоторезисторами на выходе, которое обладает большой линейностью, но небольшим быстродействием. . Цель изобретения - увеличение быстродействия, точности и динамического диапазона работы умножителя. Поставленная цель достигается тем, что в аналоговый умножитель, содержащий первый усилитель постоянного тока, выход которого соединен с сигнальным вх.одом оптоэпектронного развязывающего устройства, первая пара питающих входов которого подключена к выхо дам блока питания, второй уСилятель йостоянно го тока и масштабные резисторы, введены масштабный переменный резистор, кйМКенгсатор, два элемента с управляемым сопротивлением, выполненных в виде эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах, и стабилизированный источник постоянного тока, выходь которого подключены ко второй паре питающих входов оптоэлектронного развязывающего устройства и питающим входам второго элемента с управляемым сопротивлением, управляющий вход; которого соеданен с выходом второго усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого через масщтабный переменный резистор и разделительный конденсатор связан соответственно с источником постоянного и переменного тока первого сомножителя. Инвертирующий вход второго усилителя постоянного тока соединен через первый масштабный резистор с выходом первого элемента с управ ляемым сопротивлением, соединенного с первой выходной клеммой умножителя, а инвертирующий и неинвертируюшийвходы первого усилителя постоянного тока через второй и третий масштабные резисторы - соответственно с источником второго сомножителя. Неинвертируюший вход первого усилителя постоянного тока через четвертый масштабный резистор связан с выходом первого элемента с управляемым сопротивлением, управляющий вход которого подключен к выходу оптоэлектронного развязывающего устройства, а питающие входы подключены к неинвертирующему входу усилителя постоянного тока и выводу отрицательной полярности стабилизированного источника постоянного тока, который соединен.со второй выходной клеммой .умножителя.. На чертеже приведена схема аналогового умножителя. Она содержит первый 1 и второй 2 усилители постоянного тока, масштабный переменный, резистор 3, первый 4 и второй 5 элементы с управляемым сопротивлением, первый 6, второй 7 и третий 8 масштабные резисторы, оптоэлектронное развязывающее устройство 9, четвертый масштабный резистор 10, стабилизированный источник 11 постоянного тока, блок 12 питания и разделительньш конденсатор 13. При этом элементы 4 и 5 выполнены в виде эмиттерных повторителей, содержащих резисторы 14 нагрузки и биполярные транзисторы 15, 1, а оптоэлектронное развязывающее устройство 9 содержит оптропы 17, 18, каждый из которых выполнен на основе излучающего дИода 19 и фоторезистора 20, и ограничительные резисторы 21 и 22, которые связаны с первыми питающими входами, а выводы фоторезисторов 20 оптронов 17 и 18 являются вторыми питающими входами устройства 9, сигнальным входом которого служит общий вывод последовательно согласно соединенных излучающих диодов 19, а выходом - общий вывод последовательно включенных фоторезИсторов 20.онтронов 17 и 18. Позициями 23 и 24 обозначены соответственно источники первого X и второго У сомножителей. Умножитель работает следующим образом. Один из сигналов постоянного тока X подлежащий перемножению, подается через масщтабный переменный резистор 3 иа неинвертирующий вход усилителя 2, к, выхода его этот усиленный сигнал поступает на вход элемента 5, выходной сигнал которого, снимаемый с резистора 14 нагрузки, поступает в качестве сигнала отрицательной обратной связи через проходное сопротивление элемента 4 на неинвертирующий вход усилителя 1. Одновременно входной сигнал постоянного тока У, подлежащий перемножению, подается через второй 7 и третий 8 масштабные резисторы

на вход усилунеля 1 и с его выхода усиленный поступает на вход оптоэлектронного устройства 9, выходной сигнал которого управляет сопротивлением элемента 4. С выхода элемента 4 сигнал отрицательной обратной связи череэ четвертый масштабный резистор 10 поступает на неинвертйрующий вход усилителя 1. Последовательная цепь, состоящая из усилителя 1, оптоэлектронного устройства 9 и элемента 4, выполнена таким образом, что сопротивление элемента 4 R пропорционально сигналу У, т.е.,

ЙУ где К, - коэффициент усиления усилителя 1; Kq - коэффициент передачи оптоэлектрон. ногр устройства 9. Элемент 9 работает также в качестве элемента с управляемым сопротивлением. Из схемы умножителя следует, что коэффициент передачи усилителя 2 равен где R-) - сопротивление масштабного неременного резистора 3, и напряжение на выходе элемента 5 равно выхно подставим Кф согласно (1) в выражение (2) и получим Коэффициент К. регулируется с помощью масштабных резисторов 8 и 10, а коэффициент К с помощью ограничительных резис торов .21, 22 оптоэлектронного устройства 9, что позволяет получить помимо умножения сигналов X и У и усиление. Для перемножения сигналов переменного тока входной .переменный сигнал X подается через разделительный конденсатор 13 на неин вертирующий вход усилителя 2, а на масштаб ный резистор 3 подается постоянное напряжение смещения от блока 12 питания усилителей 2. Умножитель обладает вьгсокой стабильность и точностью, так как представляет собой Компенсатор, у которого температурные или временные изменения сопротивления коллектор-эмиттер транзистора 16 компенсируются таким же изменением сопротивления коллектор-змиттер транзистора 15 и который обладает очень высокой стабильностью при изменении напряжения питания источника 11 и тока нагрузкирезистора 14, поскольку транзисторы 15, 16 работают на пологих частях своих выходных характеристик, где изменени

напряжения питания мало сказывается на их выходном напряжении и токе.

Это позволяет производить перёмпбжение сигналов постоянного и переменного токов от малых уровней порядка 10 мВ-ЮО мВ до 58 с высоким быстродействием по входу X, на который подается быстроизмейяющийся , входной сигнал. По входу У большое быстродействие не требуется, так как на этот вход подается медленно изменяющийся сигнал постоянного Т(иса.

Оба злемента 4, 5, выполненнь е на эмиттерных повтори±елях, охвачены отрицательной обратной связью, что также отличает разрабо « и умножитель от известных схем. разработанном умножителе при одном из сомножителей X и У, равном нулю, т.е. при или , произведение ХУ-0 всегда, это обеспечивается балансом усилителей 1, 2. Таким образом, умножитель, обладающий большим динамическим диапазоном входных сигналов (10 мВ-5В) и высокой линейностью, позволяет получить умножение сигналов с точностью 0,05-0,1%, а зто в свою очередь позволит применить его для умножения сигналов во многих сложных приборах и устройствах. Формула изобретения Аналоговый умножитель, содержащий первый усилитель постоянного тока, выход которого соединен с сигнальным входом оптоэлектронного развязывающего устройства, первая пара питающих входов которого подключена к выходам блока питания, второй усилитель постоянного тока и масштабные резисторы, о тличающийся тем, что, с целью увеличения бьгстродействия, точности и динамического диапазона работы, в него введены масштабный переменный резистор, разделительный конденсатор, два злемента с управляемым сопротивлением, выполненных в виде эмиттерных повторителей на биполярных транзисторах, и стабилизированный источник постоянного тока, выходы которого подключены ко второй паре питающих входов оптоэлектронного развязывающего устройства и питающим входам второго элемента, с управляемым сопротивлением, управляющий вход которого соединен с выходом второго усилителя постоянного тока, неинвертирующий вход которого через масштабный переменный резистор и разделительный конденсатор связан с источником постоянного и переменного тока первого сомножителя, а инвертирующий вход второго усилителя постоянного тока соединен через первый масштабнь1Й резистор с выходом первого элемента с управляемым сопротивлением, соединенного с первой выходной клемМри умножителя, инвертирующий и неинвертирующий входы первого усилителя постоянного тока через второй и третий масштабные резисторы соединены соответственно с источником второго сомножителя, неинвертнрующнй вход первого усилителя постоянного тока чере чета1ертый масштабный резистор связан с выходом первого элемента с управляемым сопротивлением, управляющий вход которого, подключен к выходу оптоэлектронного раэвя08зывающего устройства, а питающие входы подключены к неинвертирующему входу второго усилителя постоянного тока и выводу отрийательной полярности стабилизированного источника постоянного тока, который соединен со второй выходной клеммой умножителя. Источники информации, прннятые во внимание при экспертизе 1. Патент США N 3746851, кл. 235-194, опублик. 1974. 2. Патент США N 3896304, кл. 235-194, опублик. 1975.