Логарифмический преобразователь Советский патент 1981 года по МПК G06G7/24 

(54) ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к аналого- вой вычислительной технике, а именно к логарифглическим преобразователям переменного напряжения, и может быть использовано для непрерывного измерения напряжений, изменяющихся в широком-диапазоне значений,например при контроле параметров линейных интегральных схем, при определении коэффициента нелинейных искажений, отношения сигнал-шум и т.п.

Известны логарифмические преобразователи переменного напряжения, выполненные по разомкнутой схеме, содержащей последовательно соединенные масштабный преобразователь, выпрямитель и логарифматор постоянного напряжения или тока 1.

Однако, рабочнй диапазон входных напряжений таких преобразователей ограничен динамическим диапазоном выпрямителя, который обычно не превышает 20дБ. Для расширения рабочего диапазона входных напряжений этих преобразователей к их входам подключеиот широкополосные аттенюаторы, управляемые вручную или автоматически. Аттенюаторы с механическими элементами в системе переключения диапазонов значительно снижают быстродействие преобразователя и вносят заметную погрешность в результат преобразований, поскольку они, как правило, выполняются на низкоомных резистореос, имеющих ограниченное число номинальных значений, определенных с собственной допустимой погрешностью.

Нанболее близким по технической сущности к предлагаемому является логарифмический преобразователь, содержащий блок с регулируенвлм коэффициентом преобразования и включенные

S его цепь обратной связи по управлению выпрямитель и блок сравнения, один вход которого соедннен с источником опорного сигнгша, а второй с выходом выпрямителя. Вход выпрямктеля подключен к выходу блока с регулируемым коэффициентом преобразования, являкяяемуся выходом логарифмического преобразователя. Блок с регулируекЕлм коэффициентом преобразования имеет на входе ангшоговый

умлатор, одий из входов которого явяется входом логарифмического преобразователя. В состав логарифмичесого преобразователя входит также

антилогарифматор, включенный между выходом блока сравнения и BkoflOM ана логового сумматора. Блок с регулируе мым коэффициентом передачи содержит параллельно соединенные операционный усилитель и логарифмирующий элемент (транзистор, включенный как диод), дифференциальное сопротивление которого обратно пропорционально величине протекающего через него постоянного тока 2. Однако, выполнение блока с регулируемым коэффициентом преобразовани на основе параллельно соединенных операционного усилителя и логарифмирующего элемента ограничивает точнос преобразования, динамический диапазон ло1арифмического преобразовател и его частотный диапазон. Причиной этого являются ограниченные возможности реально существующих операционных усилителей,которые, будучи весьма дорогостоящими устройствами, не удовлетворяют в полной мере пред вляемым требованиям по широкополосности, усилению и значению входного сопротивления. Кроме того, на высоких частотах.погрешность преобразования возрастает вследствие влияния паразитных шунтирующих емкостей логарифмирующего элемента. Источником погрешности является также находящийся в цепи обратной связи по управлению и участвующий в формировании управляющего тока антилогарифматор, имеющий собственную погрешность преобразования. Цель изобретения - повышение точ ности преобразования и расширение . динамического и частотного Диапазона преобразователя. Цель достигается тем/ что логарифмический преобразователь, содержащий блок с регулируелам коэффицие том преобразования, выпрямитель и блок сравнения, первый вход которого соедиенн с выходом источника опо ного сигнала, а второй - с выходом выпрямителя, вход которого соединен с выходом блока с регулируемым коэ фициентом преобразования, управляющий вход которого соединен с выходо блока сравнения, а информационный вход соединен с выходом аналогового сумматора, первый вход которого явлЬется входом логарифмического пре с рразователя, снабжен масштабным преобразователем, выход которого соединен со вторым входом аналогово го сумматора, а вход - с выходом блока с регулируемым коэффициентом преобразования, выход блока сравнен является выходом логарифмического преобразователя, при этом блок с регулируемым коэффициентом преобразования содержит дифференциально включенные первый и второй транзисторы и преобразователь напряжения в ток, причем вход преобразователя на ряжения в ток является входом блока с регулируемым коэффициентом преобразования, а выход соединен с объединенными эммитерами первого и второ- по транзисторов, база первого транзистора является управляющим входом блока с регулируемым коэффициентом преобразования, база второго транзистора соединена с шиной нулевого потенциала, коллекторы первого и второго транзисторов через соответствующие первый и второй резисторь , нагрузки соединены с шиной питани.я. На чертеже представлена функциональная схема логарифгдического преобразователя. Логарифмический преобразователь содержит блок 1 с регулируемым коэффициентом преобразования, выпрямитель 2, блок 3 сравнения, аналоговый сумматор 4, вход 5 логарифмического преобразователя, элемент б сравнения, усилитель 7 на выходе. Кроме того, на чертеже изображены источник 8 опорного сигнала, выход 9 логарифмического преобразователя, м сштабный преоЬразователь 10. Блок 1 с регулируемым коэффициентом преобразования содержит пару дифференциально включенных транзисторов 11 и 12, преобразог ватель 13 напряжения в ток, резисторы 14 и 15 нагрузки и источник питания 16. Работает логарифмический преобразователь следующим образом. Входной сигнал переменного напряiжeния и подают на один из входов аналогового сумматора 4, на второй вход которого поступает сигнал переменного напряжения Од через масштабный преобразователь 10 с выхода блока 1. Суммарный сигнал Uj с выхода аналогового сумматора 4 подают на вход блока 1, откуда он порле обработки преобразователем 13 напряжения в ток и деффиринциально включенный парой транзисторов 11 и 12 поступает на входвыпрямителя 2. Выпрямленный сигнал постоянного напряжения подают на один из входов блока 3 сравнения, где его сравнивают с опор ым напряжением Uon источника 8. Разностный сигнал постоянного на п ряжения подают на управляющий - вход блока 1 и прикладывают между базами транзисторов 11 и 12. Этот сигнал, формируемый в цепи обратной связи по управлению блока 1, служит для регулирования его коэффициента преобразования таким образом, чтобы поддерживать напряжение на ... выходе выпрямителя 2 равным опорному напряжению Uon источника 8. Вустановившемся режиме работа логарифмического преобразователя описывается выражением и,)К|К5,- ,, ... (1) где К, Kj, коэффициенты преобразования соответственно блока 1 с регулируемым коэффициентом преобразования, выпрямителя 2 и блока 3 сргшнения. Коэффициент преобразования блока 1, выполненного на паре дифференци- ально включенных транзисторов 11 и 12 с коэффициентами усиления по току (L близкими к единице, выражается Следующей зависимостью N о l+expCUv/fr) где KQ - крутизна управляющей характеристики;управляющее напряжение, прикладываемое между базами транзисторов 11 и 12; Чт - тепловой потенциал р-п перех рехода транзисторов 11 и 1 Решая совместно-уравнения (1) и (2) относительно U, из уравнения (2) получим т, U. р r(Ul+ U2)KoKitK3 ,, U4,enl 0,+ иопКз / При условии Uj,n ,, которое ле ко выполняется выбором нужного значения Kj, т.е. фактически установле нием необходимогокоэффициента усиления усилителя 7, имеем м V. р r( U2)KoKit .0„ -,--СП „ - 1J Jon Установив коэффициент преобразов ния масштабного преобразователя 10 равным и принимая во внимание, чтоUi УВЫХ-К и Uoj, 2 / где Ufebix- выходное напряжение блока имеем Ven(u,-). Таким образом, при соответствующ выборе козффициёнтов К и К а с выхо да 9 логарифмического преобразовате ля снимают сигнал постоянного напря жения, уровень которого изменяется пропорционально логарифму входного сигнала переменного напряжения и., либо логарифму отношения двух напря жений о V Т- П-г; иол где Uon может быть выпрямленным нап ряжением от второго источника входного сигнала переменного напряжения Выходной сигнал U,j логарифкическ го преобразователя может быть испол зован для цифровой индикации переме ного напряжения, изменяющегося в ши роком диапазоне значений. Устройство не имеет дорогостоящего операционно го усилителя с ограниченным динамическим и частотным диапазоном и антилогарифматора, имеющего собстве ную погрешность преобразования, что повысило точность преобразования, расширило динамический и частотный диапазон по сравнению с известным, а также уменьшило его стоимость. Таким образом, предлагаемый логарифмический преобразователь имеет расширенный динамический диапазон, расширенный частотный диапазон в области высоких частот и более чем в 3 раза уменьшенную погрешность преобразования по сравнению с известным. Формула изобретения 1.Логарифмический, преобразователь, содержащий блок с регулируемым коэффициентом преобразования, выпрямитель и блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом источника опорftoro сигнала, а второй - с выходом выпрямителя, вход которого соединен с выходом блока с регулируемьпл коэффициентом преобразования, управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения, а информационный вход соединен с выходом аналогового сумматора, первый вход которого является входом логарифмического преобразователя, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения динамического диапазона, он снабжен масштабным преобразователем, выход которого соединен со вторым входом аналогового сумматора, а вход - с выходом блока с регулируегвзм коэффициентом преобразования, выход блока сравнения является выходом логарифмического преобразователя. 2.Преобразователь по п.1, от личающийс я тем, что блок с регулируемым коэффициентом преобразования содержит дифференциально включенные первый и второй транзисторы и преобразователь напряжения в ток, причем вход преобразователя напряжения в ток является входом блока с регулируемьлм коэффициентом преобразования, а выход соединен с объединенными эмиттерами первого и второго транзисторов, база первого транзистора является управляющим входом блока с регулируемым коэффициентом преобразования, база второго транзистора соединена с шиной нулевого потенциала, коллекторы первого и второго транзисторов через соответствующие первый и второй резисторчл нагрузки соединены с шиной питания. Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3562552, кл. 307-229, опублик. 1971. 2.Патент США № 3502952, кл. 321-8, онублик. 1970 (прототип).