Компенсационный интегратор Советский патент 1981 года по МПК G06G7/186 

Изобретение относится к электронной измерительной технике, в частнос ти к электронным интеграторам длител ных сигналов и может быть использова но, например, в кулонометрии. Известны электронные компенсацион ные интеграторы, работа которых основана на использовании решающих усилителей с емкостной обратной связью. В этих интеграторах сначала интегрируют измеряемый (входной) сигнал, а затем компенсационный сигнал или разность измеряемого и компенсационного сигналов l . Недостатками интеграторов являют ся перерывы в интегрировании входного сигнала и недостаточно высокая точность. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интегратор, содержащий интегрирующий решающий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, в состав которого входят источник компенсационного (эталонного) напряжения, гистерезисное переключающее устройст во -и командное устройство 2 . При работе интегратора командное устройство подает на его вход измеря емое (входное)напряжение. При этом напряжение на выходе решающего усилителя начинает увеличиваться. Когда оно достигает уровня срабатывания гистерезисного переключающего устройства, которое выполняет функции компаратора с двумя уровнями, это . устройство включает источник эталонного напряжения последовательно и встречно с источником входного напряжения, а также подает на вход Старт xpOHOivieTpa запускакиций импульс. Далее напряжение на выходе решающего /силителя начинает уменьшаться, и, когда оно достигнет уровня отпускания гистереэисного переключающего устройства, последнее отключает источник, эталонного напряжения и одновременно останавливает хронометр, подавая соответствующий импульс на вход Стоп хронометра. Описанные процессы циклически повторяются в течение всего времени интегрирования входного сигнала. Величина интеграла оценийается по величине суммарного времени включения источника эталонного напряжения, показываемого хронометром . Недостатком данного интегратора является сложность его настройки перед измерением, обусловленная необходимостью точного совмещения у ювйей начсшьного выходного напряжения ешаю1цего усилителя и напряжения отпускания гистереэисного переключаю hiero устройства. Неточность указанного совмещения приводит к погрешности интегрирования, величина которой возрастает с уменьшением величины входного напряжения..

Цель изобретения - повышение точности и упрощение настройки интегратора за счет устранения погрешности, обусловленной несовпадением уровней начального выходного напряжения решаницего усилителя и напряжения отпускания гистерезйсного переключающего устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсационный интегратор, содержсцций интегрирующий усилитель , вход которого через первый переключатель соединен с источником эталонного напряжения, один из выводов которого через второй переключатель -подключен к источнику входного сигнала, гистерезисное переключающее устройство, первый вход которого подключен к выходу интегрирующего усилителя, первый выход - к .управляющему входу первого переключателя, а вторые вход и выход гистерезисного переключающего устройства соединены соответственно с первыми выходсэм и входом командного устройства, и хронометр, введены компаратор, источник опорного напряжения и переключатели, причем первый вход компаратора подключен j выходу интегрирующего усилителя, второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а выход компартора связан с размыкающим и замыкающим контактами соответственно третьего и четвертого переключателей, замыкающий и размыкающий контакты которых соединены соответственно с третьим и четвертым выходами гистерезйсного переключсцощего устройства, а переключающие контакты третьего и четвертого переключателей подключены соответственно к входам Старт и Стоп хронометра, управляющие входы третьего и четвертого переключателей подключены к третьему и четвертому выходам командного устройства.

На фиг. 1 приведена функциональная схема интегратора , на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие работу интегратора.

Компенсационный интегратор содержит интегрирующий усилитель 1 с емкостной обратной связью, к выходу которого подключено гистерезисное переключающее устройство 2, управля.щее переключателем 3, и компаратор 4, выполненный в виде дифференциального усилителя 5, один из входов которого соединен с выходом усилителя 1/ а другой - с выходом источника б. опорного напряжения компаратора. Источник 7 входного напряжения и источник 8 эталонного (компенсирующего) напряжения соединены одноименными полюсами через переключатель 9 и подключены к входу интегрирующего усилителя 1 через переключатель 3. Время включения источника 8 эталонного напряжения измеряется хронометром 10, входы Старт и Стоп которого через переключатели 11 и 12 соединены с гистерезисным переключающим устройством 2 и выходом усилителя 5 компаратора 4. Управление работой переключателей 9, 11 .и 12, а также уровнями срабатывания и отпускания переключающего устройства 2 осуществляется командным устройством 13, которое в совокупности с источником 8, переключателями 3,9, 11, 12 и переключающим устройством 2 образует блок управления. Между переключающим устройством 2 и командным устройством 13 существует обратная связь.

При практическом осуществлении ин тегратора гистерезисное переключающее устройство 2 с переключателем 3 может быть выполнено, например, в виде электромагнитного реле с переключающими контактными группами-, а командное устройство 13 с переключателями 9, 11и12-в виде совокупности коммутационных элементов (например, кнопки управления, галетные переключатели и т.п.) и электромагнитных реле с соответствующими контактными группами. Возможно выполнение переключающего устройства 2 в виде триггера Шмитта с электромагнитным реле на выходе.

При работе интегратора в начальный момент переключатели 3, 9, 11 и 12 находятся в положениях, приведенных на фиг. 1. При этом источник 8 эталонного напряжения отключен переключателем 3 от входа решающего усилителя 1, аналогично отключен переключатель 9 - и источник 7 входного напряжения. Вход усилителя 1 через переключатели 3 и 9 соединен с об- t щей шиной. Вход Старт хронометра 10 через переключатель 11 соединен . с выходом дифференциального усилителя 5, а вход Стоп хронометра 10. через .переключатель 12 соединен с переключающим устройством 2. На выходе компаратора 4 имеется постоянное отрицательное напряжение (фиг. 2а), обусловленное подачей на нейнвертирующий вход усилителя 5 отрицательного напряжения иррорцОт источника 6 опорного напрях ения. Величина напряжения источника 6 выбирается такой, чтобы она была меньше (с учетом полярности) величина напряжения отпускания U(yr,j переключающего устройства 2, а также возможной величины начал ного выходного напряжения интегрирующего решающего усилителя 1 (фиг. Начало интегрирования задается к мандным устройством 13, которое, во действуя на переключающее устройств 2, переводит переключатель 3 в верх нее по схеме положение. Одновременн с этим командное устройство 13 изме няет (уменьшает) напряжение отпус1са ния переключакицего устройства 2 от величины до величины UOT 4 (фиг, 26). Напряжение на выходе интегрирующего усилителя 1 уменьшает1зя (фиг, 26) , так как на его вход подается переключателем 3 напряжение источника 8, Когда напряжение на выходе усилителя 1 по абсолютной величине станет равным напряжению l)f,p источника 6, напряжение на выходе усилителя 5 компаратора 4 изменяет знак (фиг, 2в) и на вход Старт хронометра 10 поступает положительный перепад напряжения, включающий хронометр (момент t, фиг. 2г).Когда уменьшающееся напряжение на выход усилителя 1 достигает величины U. (фиг. 26), переключающее устройство 2 переводит переключатель 3 в верхнее по схеме положение, отключая от входа усилителя 1 источник 8 эталонного напряжения, и через перекгаочатель 12 подает на вход Стоп хронометра 10 импульс, останавливающий последний (момент tp , фиг. 2г) , Кро ме этого,, переключакицее устройство 2через цепь обратной связи воздейст вует на командное устройство 13, которое выполняет следующие операции:а)переводит переключатель 9 в верхнее по схеме положение, подавая тем самым на вход решающего усилителя 1 входное напряжение (фиг, 2а); б)переводит переключатель 11 в верхнее по схеме положение, подключая вход Старт хронометра 10 к выходу переключающего устройства 2; в)изменяет (увеличивает) напряжение отпускания переключающего устройства 2 от величины Upy, до величины UoTn. и,„ор„ (фиг. 26). В результате,,указанных операций, напряжение на выходе усилителя 1 уве личивается (фиг. 26). Когда оно достигает величины Uppoig, переключающее устройство 2 включает переключателем 3источники 7 и 8 последовательно и включает хронометр 10 Смомент на фиг. 2г). После уменьшения напряжечия на выходе усилителя 1 до величи1ы Ugy , переключающее устройство 2 отключает источник 8 зталонного напряжения и останавливает хронометр 10 (фиг. 2г) . Указанные компе.нсационные циклы интегрирования повторяют заданное командным устройством 13 число п-раэ (или заданное время ин егрирования) . Далее в момент 1( (фиг. 2г) командное устройство 13 переключателем 9 отключает источник входного напряжения, а переключателем 3 подает напряжение источника 8 эталонного напряжения на вход усилителя 1 и запускает хронометр 10. Одновременно переключателем 12 вход Стоп хронометра 10 соединяется с выходом дифференциального усилителя 5, Кроме того, командное устройство 13 изменяет (уменьшает) напряжение отпускания переключающего устройства 2 от величины Уртп. до величины (аналогично тому, как зто делалось в начале интегрирования). Напряжение на выходе интегрирующего усилителя 1 уменьшается в результате интегрирования напряжения источника 8,и когда оно достигает величины Ujjnopj, напряжение на выходе усилителя 5 изменяет знак (фиг. 2в), вследствие чего хронометр 10 выключается (момент tn. , фиг. 2г) . После этого командное устройство 13 возвращает все переключатели в исходное положение - интегрирование входного напряжения окончено. Преимуществом предлагаемого компенсационного интегратора является то, что в нем нет необходимости совмещать уровни начального выходного напряжения решающего усилителя и напряжения отпускания гистерезисного переключающего устройства, не требуется также и их стабильности. Это упрощает настройку интегратора перед измерением и повышает точность интегрирования малых сигналов. Указанное преимущество основано на том, что величина напряжения на выходе решающего усилителя, с которого начинается и которым заканчивается интегрирование, зависит только от компаратора, введенного в состав интегратора, и не зависит от величины начального выходного напряжения интегрирующего усилителя, от параметров переключающего устройства (последнее обстоятельство позволяет использовать в качестве переключающего устройства такие грубые элементы, как злектромагнитные реле). Повышение точности интегрирования, обеспечиваемое предлагаемой конструкцией интегратора, оценивается на следующем конкретном примере. При использовании в качестве переключающего устройства реле типа РП-5 неточность совмещения уровней начального выходного нап-. яжения интегратора и напряжения отпускания реле составила -хО, В. казанная величина в основном опреелялась нестабильностью напряжения тпускания реле. При интегрировании ходного напряжения, равного Jl в, течение 100 с и при постоянной ремени решгцощего усилителя 1с, огрешность, обусловленная параметрами реле, составляет 0,1%. В предлагаемом интеграторе эта погрешность отсутствует полностью.

Формула изобретения

Компенсационный интегратор, содержащий интегрирующий усилитель, вход которого через первый переключатель соединен с источником эталонного напряжения, один из выводов которого через второй переключатель подключен к источнику входного сигнала, гистерезисное переключающее устройство, первый вход которого подключен к выходу интегрирующего усилителя, первый выход - к управляющему .входу первого переключателя, а вторые вход и выход гистерезисного переключающего устройства, соединены соответственно с первыми выходами и входом командного устройства, и хронометр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения настройки, в интегратор введены компаратор, источник опорного напряжения и переключатели, причем первый

вход компаратора подключен к выходу интегрирующего усилителя, второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, ,а выход компаратора связан с размыкающим и замыкающим, ко.нтактами соответственно третьего и четвёртого переключателей замыкающий и размыкающий контакты которых соединены соответственно с третьим и четвертым выходами гистерезисного переключающего устройства, а переключающие контакты третьего и четвертого переключателей подключены соответственно к входам Старт и Стоп хронометра, управляющие входы третьего и четвертого переключателей подключены к тр.етьему и четвертому выходам командного устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Махнанов .Ъ,Д., Милохин Н.Т. Устройства частотного и время-импульного преобразования, М., Энергия, 1970, с. 107-112, 115-119.

2.Авторское свидетельство СССР № 374618, кл. G Об G 7/18, 1971 (прототип).

пп п п

I