Устройство для умножения Советский патент 1982 года по МПК G06G7/163 

Изобретение относится к измерительной технике, В частности к измерителям постоянного и переменного Напряжений, тока и мощности.

Известны устройства для умножения с применением трансформаторов, содержащее элементы с управляемой проводимостью, в качестве которых применяются полевые транзисторы, работающие как управляемые переменным напряжением аттенюатор переменного тока. Сигналы сомножителей у этих устройств подаются на первичные обмотки трансформаторов,CHr-нал пропорциональный произведению сомножителей снимается со стока полевого транзистора 1.

Так как дрейф и нелинейность полевых транзисторов очень велика (20 % и 5 %), то применить эти устрбйства в высокоточных измерительных приборах невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являет ся устройство для умножения, содержащее управляемый аттенюатор, выполненный на полевом транзисторе и подключенный к первому входу первого операционного усилителя. На вход аттенюатора подается переменный сигнал.

Выход первого усилителя-подключен к первому входу второго операционного усилителя, работающего в режиме сум,матора. Выход второго усилителя подключен-через фильтр, подавляющий переменный сигнал X, на вход управления аттенюатором. Постоянный сигнал Y, подлежащий перемножению с переменным X, подается через дополнитель10ный резистор на первый вхрд второго усилителя 2.

-Недостатками этого устройства являются невысокий коэффициент умножения сигналов, что ограничивает раз-,

15 решающую способность, т.е. не позволяет перемножать сигналы малых уровней, что сужает диапазон изменения входных сигналов; температурный и временный дрейф полевого тран20зистора аттенюатора, что снижает точность перемножения; нелинейность аттенюатора и связанное с этим ограничение диапазона умножения, а также ограничен класс задач, решаемых этим

25 устройством, так как в нем обеспечивается перемножение только переменного сигнала на постоянный.

Цель изобретения - повьпиение точности работы, расширение диапазона

30 изменения входных сигналов, а также расширение класса решаемых задач за счет обеспечения возможности перем жения переменных сигналов, постоянных сигналов, а также переменного сигнала на постоянный. Поставленная цель достигается тем, что устройство для умножения, содержащее первый и второй операцио ные усилители, входы которых соответственно являются входами первого и торого сомножителей устройства введены преобразователь напряжения в сопротивление, согласующий и повы шающий трансформаторы, выход первог операционного усилителя через после довательно соединенные первичные обмотки согласующего и повышающего трансформаторов подключены к шине нулевого потенциала, вторичная обмо ка согласующего трансформатора подключена к выходу преобразователя на пряжения в сопротивление, вход кото рого подключен к выходу второго one рационного усилителя, вторичная обмотка повьапающего трансформатора яв ляется выходом устройства, На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняквдие работу устрой ства; на фиг. 2 - функциональная сх ма устройства для умножения. Устройство содержит первый и вто рой операционные усилители 1 и 2, согласующий трансформатор 3, повышающий трансформатор 4, преобразователь 5 напряжения в сопротивление входы 6 и 7 устройства, шина 8 нуле вого потенциала, выходы 9 и 10 уст ройства, усилители 11, резисторы 12 конденсатор 13, транзистор 14, выпрямитель 15. Выход операционного усилителя 1 подключен к входам последовательно соединенных трансформаторов 3 и 4, а выход операционного усилителя 2 подключен к входу преобразователя 5 напряжения в сопротивление, выход которого подключен к -вторичной обмотке согласующего трансформгГгОРа. Сигналы сомножителей подаются на входы 6 и 7 усилителей 1 и 2, О. выходной сигнал переменного тока снимается с выходных клемм 9 и 10 повьапающего трансформатора 4. Устройство для умножения, работае следующим образом. Входной сигна.л переменного тока прямоугольной формы со скважностью Q 2 подается в качестве сигнала сомножителя X на вход 6 операционно го усил.ителя Д, где усиливаются по напряжению и току, и с его выхода сигнала Щ« (фиг , 1 аГпоДается на последовательно соединенные первичные обмотки трансформаторов 3 и 4, Когда сигнал X О, выходной сигнал операционного усилителя 1 равен О, Однако когда X О, а сигнал второго сомножителя Y и, сигнал UJxi на входе делителя, образованного полными сопротивлениями первичных обмоток трансформаторов 3 и 4, не равен нулю (фиг. 1 б), Ток 1 через первичные обмотки трансформаторов 3 и 4 при входных сигналах сомножителей X О и Y О равен т v: где и - напряжение на выходе усилителя 1 ; и полные сопротивления перВИЧ.НЫХ обмоток трансформаторов 3 и 4 . Обычно Z4-S (10 - 120) Z.4 , в этом случае 2.ц можно пренебречь и тогда ,u . 1 f,. Z, , bi -zT (2) l-i -Ь Из уравнения (2) видно, что ток 1 обратно пропорционален полному сопротивлению первичной обмотки согласующего трансформатора или прямо пропорционален ее полной проводимости и напряжению на ней. Напряжение на первичной обмотке повышающего трансформатора 4 равно и,.;, , ,(3) а коэффициент усиления сигнала X Z.-ц Z,.,, Z,(4) где коэффициент усиления усили-. теля Г по напряжению. Величина .у показывает ту часть напряь..ц жения на .первичной обмотке повышающего трансформатора 4, которая при У О приблизительно равна (0,1-0,12.) ; эта величина повышается с помощью вторичной обмотки трансформатора 4 в 100-1000 и более раз и является выходным сигналом устройства, снимаемого с клемм 9 и 10. Если на вход операционного усилителя 2 подать сигнал постоянного тока Y О, он усилится операцйонньл усилителем 2 и в качестве сигнала Ufex (фиг. 1 б) . откроет ранее закрытый транзистор 14 (VT1) преобразователя 5 напряжения в сопротивление. Транзистор 14 (УТ1) работает как управляемое сопротивление, охваченное с помощью операционного усилителя 2, глубокой отрицательной обратной связью. Открывание транзистора 14 ( VT1) вызовет появление тока через сопротивление 12 нагрузки (Rl), в результате будет протекать ток 1г,1,через вторичную обмотку согласующего трансформатора 3 и выпрямитель 15 ( VD1) (фиг, 1 в) (при Y О, 1го 0)(5), Появление тока 1г.-ь увеличит ампер витки Ig-b W2-i,rAe Ws-s - число витков вторичЕЮй обмотки согласующего трансформатора 3, что вызовет умень шение противо ЭДС в первичной обмо ке Wfl-b трансформатора 3, в резуль тате уменьшится полное сопротивление Z 1-: и увеличится первичный ток 1 на величину тока нагрузки а-ь и потерь от нагрузки (фиг. 1 г). Это увеличение тока 1 (ч будет пропорционально сигналу сомножителя Y, причем коэффициент пропорциональности будет равен УКгКз IIH,(6 где К - коэффициент усиления опера ционного усилителя 2 по на пряжению; Kg - коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжения в сопротивление, равный отношению к - 5 - R,,6 где Кэк.б эквивалентное сопротивлени эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 14 (VH) и резисторе 12 (Rl). С увеличением Y это сопротивление уменьшается, т.е увеличивается проводимость {, и ток Ij-j, увеличивается. Увеличение т ка 1 вызовет рост падения напряжени на первичной обмотке повышающего трансформатора 4, на вторичной обмо ке которого будет повышенного вы ходное напряжение за счет повышающей вторичной обмотки (фиг. 1 д). Произведение сигналов сомножителей X и Y согласно (4) и (6) будет равно X-Y K, i-b, + i-H-i где Ктр - коэффициент трансформации равный отношению числа витков вторичной W и первичной W обмотки. Кт,, (100+100000). Таким образом, изменяя величину сомножителя Y, можно изменять ток li , протекающий через первичные обмотки трансформаторов 3 и 4 от величины тока холостого хода трансформатора 3 (тока подмагничивания при Y О до номинального его тока нагрузки la-v, , который, как известно, может быть в (10-100) раз больше тока холостого хода. В результате этого получается дополнительное усиление тока 1 в 10 - 100 раз с помощью сигнала Y. Это позволяет расширить диапазон входных сигнало в -предлагаемом устройстве. Так как ток Ij-i падает на транзисторе 14 ( VT1) и на его нагрузке 12 (R,) в виде тепловых потерь, то все потери в транзисторе, зависящие от этого тока, будут пропорциональны сиг галу Y. Трансформатор 4 работает в режиме холостого хода, т.е. на очень высокоомную нагрузку. Потери холостого хода трансформаторов компенсируются, так как измеряется их первичный ток 1. Однако в предлагаемом умножителе имеются еще два коэффициента К и Ктр . При этом К 5 обеспечивает дополнительное усиление сигнала X в 10-100 раз, а Ктр обеспечивает повышение выходного сигнала по напряжению в 100-10000 раз. Это позволяет применить предлагаемое устройство для умножения сигналов постоянного и переменного тока малых уровней. На фиг. 2 в качестве преобразователя 5 напряжения в сопротивление показана схема . компенсационного стабилизатора напряжения, который, как известно, обладает очень высокой стабильностью, точностью и линейностью. Эти хара}стеристики, в основном, определяются операционны 1 усилителем 2. В качестве преобразователя 5 напряжения в сопротивление можно применить стабилизатор тока, аналогоцифровой преобразователь и т.р.; входными сигналами которых могут быть как постоянные, так и переменные сигналы. Преобразователь 5 можно- заменить переменным сопротивлением, подключенным непосредственно к вторич- ной обмотке согласующего трансформатора 3. Для умножения сигналов постоянного тока X и Y усилитель 1 (можно и 2) применяют с преобразованием, т.е. М-Д-М типа, выходной сигнал первого усилителя должен сниматься до демодулятора, от этого схема предлагаемого устройства не изменится. . Важным преимуществом предлагаемого устройства для умножения является его высокая стабильность и точность, обусловленная применением трансформаторов, у которых, как известно, отсутствует дрейф и характеристика передачи линейная, что позволяет повысить точность работы устройства. Устройство обеспечивает умножение сигналов постоянного тока X и Y, переменного сигнала X на постоянный Y (или наоборот)и переменного сигнала на переменный. В качестве переменного сигнала может при меняться сигнал прямоугольной или синусоидальной формы. Применяя преобразователь 5 напряжения в сопрютивление симметричного типа (на фиг. 2 показан упрощенный его вариант), можно обеспечить четырехквадратное умножение постоянных и переменных сигналов. Все эти высокие характеристики устройства обеспечиваются, в основном, введением двух миниатюрных трансформаторов мощностью (0,025-0,25) Вт и схемой их включения, что позволяет

получить высокую разрешающую способность при измерении сигналов малых уровней.

Формула изобретения

Устройство для умножения, содержащее первый и второй операционные усилители, входы которых соответственно являются входами первого и второго сомножителей устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона изменения входных сигналов, а также, расширения класса решаемых задач за счет обеспечения возможности перемножения переменных и постоянных сигналов, в него введены преобразователь напряжения в сопро.тивление, согласующв

и повышающий трансформаторы, выходы первого операционного усилителя через последовательно соединенные пер вичные обмотки согласующего и повышаквдего трансформаторов подключены к шине нулевого потенциала,-вторичная обмотка согласующего трансформатора подключена к выходу преобразователя напряжения в сопротивление, вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, вторичная обмотка повышающего трансформатора является выходом устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 625213, кл. G 06 G 7/163, 1977,

2.Патент Англии W 1446081, кл.С 4 G опублик. 1976 (прототип).

о

УГ

и

Xfff

%

и.

6tfX