Аналоговый логарифмический преобразователь Советский патент 1980 года по МПК G06G7/24 

1

Предлагаемый логарифмический преобразователь предназначен для использования в аналоговых вычислительных устройствах, в частности, устройствах умножения, деления, а также 5 в различных схемах информационноизмерительной аппаратуры г

Известны логарифмические преобразователи, использующие включение биполярного транзистора в цепи обрат- О ной связи операционного усилителя l.

Этим логарифмическим преобразователям присущ недостаток, состоящий в том, что с увеличением входного тока вплоть до допустимых значений коллекторного тока увеличивается погрешность передаточной характеристики преобразователя, и это являние связано с влиянием объемного сопро- 20 тивления транзистора г U . Увеличение же входного тока преобразователя желательно не только с очкизрения расширения динамического диапазона входных сигналов, и оно, кро-25 ме того, ведет к увеличению быстродействия данного преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее вклю-30

ченные последовательно входной масштабирующий резистор, операционный усилитель, первый масштабирующий резистор, выходной суммирующий усилитель , между входом и выходом которого включен первый операционный резистор, логарифмирующий транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно ко входу и выходу операционного усилителя, дополнительный усилитель, выход которого через второй масштабирующий резистор соединен со входом выходного суммирующего усилителя, между инвертирующим входом и выходом дополнительного усилителя включен второй операционный резистор, база логарифмирующего транзистора подключена к инвертирующему входу дополнительного усилителя 2 .

Недостатком данного устройства является погрешность передаточной характеристики, обусловленная влиянием объемного сопротивления базы транзистора г л, возникающая от протекания ток базы 3ft. Это напряжение приводит к отклонению напряжения эмиттерного перехода транзистора от логарифмической зависимости и является напряжением погрещности. При nowDitt дополнительного усилителя, ко торый обеспечивает потенциал базы транзистора близкий к нулю, базовый ток преобразуется в напряжение, прот вофаз-ное по отношению к напряжению на эмиттере транзистора, и затем это напряжение вычитается из общего сигн ла на выходном суммирующем усилителе При условии равенства операционного сопротивления дополнительного усилит ля и сопротивления г напряжение погрешности г компенсируется в выходном сигнале. Однако известно, что сопротивление г у транзисторов уменьшается с возрастанием коллектор ного тока, и поэтому компенсация напряжения погрешности выполняется лишь на относительно узком участке рабочей характеристики устройства, где сравнимы величины tgf и операционного резистора дополнительного усилителя. Цель настоящего изобретения повышение точности за счет уменьшения погрешности передаточной характеристики преобразователя, работающего в широком динамическом диапазоне, путем многократного использования одного сравнительно точного, но узкого участка передаточной характеристики с одновременным формированием весовых коэффициентов. Поставленная цель достигается тем что аналоговый логарифмический преобразователь, содержащий входной масштабирующий резистор, подключенны первым выводом к входу преобразовате ля, а вторым выводом - к входу операционного усилителя, транзистор, включенный в цепь обратной связи опе рационного усилителя, и сумматор, пе вый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, дополнитель но содержит п (где 1л 1,2,3,,,п ) ключей, п + 1 весовых резисторов,п компараторов,п источников опорного напряжения и ycилитeль-фopмиpoвaтeль причем входы исех ключей соединены с первым входом преобразователя и с первыми входами всех компараторов выходы ключей через соответствующие (л зесовых резисторов соединены с вторым входного масштабирующего резистора, в.торые входы компаратороз соединены с источником опорного напряжения, выходы каждого комп ратора соединены с.управляющим .входо соответствующего ключа, выхо.зы компаратора подключены к входам усилителя-формирователя, выход которого соединен со вторым входом сумматора и через h + 1 весовой резистор- с вторым выводом входного масштабирующего резистора. На чертеже представлена блок-схема аналогового, логарифмического преобразователя. устройство содержит операционный усилитель 1 с транзистором 2 и входным масштабирующим резистором 3, ключи (4 т 4)«, весовые резисторы 5 т 5,+, источники опорного напряжения Е 1- ЕП () , компараторы КП „ (7, т 7„) , усилитель-формирователь 8, сумматор 9. В качестве компараторов и ключей могут быть использованы различные узлы и элементы современной схемоJexники, в том числе и в интегральном исполнении: операционные усилители, ключи на полевых транзисторах, на герконах и т.д. Устройство работает следующим образом. Передаточная функция преобразоваi теля выражается в общем виде как 1 значение входного сигнала, равное или больше единицы. Данную функцию можно представить по иному: -Ч,-(. И) где i 0,1,2,3.,.п V (1-10) .V, d-rlO) В соответствии с выражением (1) преобразователь должен иметь нелинейный элемент, в данном случае - логарифмирующий транзистор со сравнительно точным, хотя бы и узким, участком передаточной характеристики в диапазоне V -- (l7lO) . Если диапазон изменения входного сигнала V i-vio презышает диапазон изменения Уц , то устройство вырабатывает весовой сигнал, эбоз наченный i 0,l,2,3...Vi, который суммируется с сигналом нелинейного элемента и, таким образом, позволяет реализовать преобразователь с широким динамическим диапазоном. В исходном состоянии ключи , включены, в результате чего параллельно резистору 3 подсоединены резисторы ,д, а на выходе усилителя-формирозателя 8 имеется нулевой потенциал. Это положение сохраняется в сравнительно узком диапазоне изменения входного сигнала V.,, при котором погрешность передаточной характеристики логарифмирующего транзистора минимальна, т.е. в диапазоне значений (l-rlO) . При достижении входным сигналом значения V ю срабатывает первый компаратор 7 , выходной сигнал которого выключает ключ 4., (тем самым увеличивает эквивалентное сопротивление во входной цепи преобразователя) и одновремен но с зтим заставляет усилительфоЕ5мирователь 8 выработать на своем выходе напряжение, соответствующее весовому коэффициенту -i в уравнении (1). Аналогично с ростом входного сигнала срабатывают компараторы 7 7 при уровнях V , кратных значению 10, при этом транзистор при помощи ключей ,перёводится вновь на начальный участок своей рабочей характеристики, а на сумматор поступает с усилителя-формирователя эквивалентный сигнал, равный значению S-g УЛ в максимальной точке характерис тики. Следовательно, на приведенной блок-схеме можно строить сравнительно точные и широкодиапазонные устрой ства на основе точного, но узкОдиапа зонного преобразователя. Преимущество предложенного аналогового логарифмического преобразова теля по сравнению с известным сострит в следующем. В прототипе расшире ние динамического диапазона в сторону роста коллекторного тока приводит к увеличению погрешности передаточной характеристки, и поэтому необходимо уменьшить эту погрешность струк турными методами, что удаётся сделат только частично, по той причине, что сЬпротивление нелинейно зависит от коллекторного тока, В данном лога рифмическом преобразователе используется многократно один и тот же, оптимальный с точки зрения погрешности, участок логарифмической харак теристики таким образом, что при достижении максимума этого участка раб чая точка переводится обратнона начало этого участка с одновременной компенсацией напряжения выходного сигнала по причине уменьшения коллекторного тока. В результате этого удается реализовать логарифмический преобразователь с относительно малой погрешностью в широком динамическом диапазоне, так как погрешность от введения в устройство таких узлов, как сумматоры и ключи может быть незначительна по сравнению с погрешностью самого нелинейного элемента и кроме,того, она легко нормируется. По структурной схеме предложенного устройства можно реализовать ряд унифицированных преобразователей с различными нелинейными зависимостями и, с расширенным динамическим диапазоном входных сигналов. Формула изобретения Аналоговый логарифмический преобразователь, содержащий входной масштабирующий резистор, подключенный первым выводом к входу преобразователя, а вторым выводом - к входу оп(рационного усилителя, транзистор, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя и, сумматор, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности передаточной характеристики преобразователя, он дополнительно содержит п (где i l,2,3...h) клю:чей, м -(- 1 весовых резисторов, h компараторов,п источников опорного напряжения и усилитель-формироват.ель, причем входы всех ключей соединены с первым входом преобразователя и с Первыми входами всех компараторов, выходы ключей через соответствующие h весовых резисторов соединены с вторым выводом входного масштабирующего резистора, вторые входы компаратора соединены с источниками опорного напряжения, выходы каждого компаратора соединены с управляющим входом соответствующего ключа выходы компараторов подключены к входам усилителяформирователя , выход которого соединен со вторым входом сумматора и через (п + 1) весовой резистор - с вторым выводом входного масштабирующего резистора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Минеева Ю.В., Александрова А.С. Логарифмическое преобразование сигналов при помощи транзисторов. - Приборы и тех.ника эксперимента , 1968, 3, с. 96. 2.Авторское свидетельство СССР 579631, кл. G 06 а. 7/24 1977, (прототип),