Генератор линейно-изменяющегося напряжения Советский патент 1982 года по МПК H03K4/50 

(5) ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ Изобретение относится к технике аналогового преобразования электрических сигналов и, в частности, пред назначено для использования в фор(рователях длительных интервалов в|ремени. Известен генератор линейно изменяющихся напряжений, содержащий дифференциальный операционный усилител и времязадающую КС-цепь, причем общий вывод резистора и конденсатора времязадающей RC-цепи подключен к инвертирующему входу рперациоиного усилителя, а второй вывод конденсатора подключен к выходу операционно усигителя, при этом в режиме генери рования линейно измеряющегося напряжения на второй вывод резистора времязадающей RC-цепи подается вход ной сигнал в виде скачка уровня постоянного напряжения, который интегрируется , а с выхода операционного усилителя снимается линейно изменяю щееся напряжение til. НАПРЯЖЕНИЯ Недостатком гератора является н.евозможность использования времпзлдающей RC-цепи с высоким значением постоянной времени Т RC, так как входное сопротивление Rex операционного усилигелм шунтирует сопротивление времязадающего резистора R и этим самым ограничивает его сверху, т.е. ограничивает рост величины постоянной времени L до величины ТОГР Ъ ., которая при R R - Rexр зависит практически от величины К, а будет определятьсй величиной т.е. RBK- С, что и не позволяет использовать описанную схему генератора в устройствах формирования медленно линейно изменяющихся напряжений и устройствах формирования длительных интервалов времени, работающих по принципу формирования линейно изменяющихся напряжений. Наиболее близким по.технической сущности к изобретению является ге3нератор линейно изменяющегося nanpfrжения, содержащий дифференциальный операционный усилитель, времязадающую RC-цепь и два резистивных делителя, причем общий вывод двух резисторов первого делителя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а вторые выводы этих резисторов подключены соответственно к общей шине и к выходу операционного to усилителя; общий вывод резистора и конденсатора времязадающей RC-цепи подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, второй вывод конденсатора подключен к общей шине, а вто.рой резистора - к общему выводу второго резистивного делителя, при этом вторые выводы резисторов последнего подключены соответственно к источнику входного напряжения и к выходу операционного усилителя. В режиме генерирования линейно изменяющегося напряжения на второй вывод резистора резистивного делителя подается входной сигнал в виде скачка уровня постоянного напряжения, который интегрируется, а с выхода операционного усилителя снимается линейно изменяющееся напряжение 2. При определенном соотношении величин сопротивлений резисторов, применяемых в известной схеме,теоретически можно получить небольшое увели чение постоянной времени интегрирования входного сигнала, однако на практике это не реализуется, так ка резисторы с большими номиналами сопротивления имеют высокий процент разброса их величин, и условие повышения постоянной времени интегрирования выполнить невозможно, при этом наличие в схеме генератора двух резистивных делителей, выполняющих функции масштабирования в цепях отрицательной и положительной обратных связей операционного усилителя, приводят к резкому снижению реальной ве личины коэффициента усиления операционного усилителя и, как следствие к понижению входного сопротивления его и к уменьшению постоянной време ни интегрирования, а подключение пяти резисторов к входам операционного усилителя приводит к тому же к высокому уровню напряжения шума на выходе последнего, что снижает точнос генерирования линейно изменяющегося напряжения. 7 Цель изобретения - увеличение постоянной времени интегрирования и повышение точности генерирования линейно изменяющегося напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в генераторе, содержащем дифференциальный операционный усилитель, времязадающую RC-цепь и стабилизированный источник двухполярного напряжения, времязадающая RC-цепь подключена к шинам стабилизированного источника, двухполярного напряжения, общий вывод конденсатора и резистора, времязадающей RC-цепи подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом, при этом средний вывод стабилизированного источника двухполярного напряжения соединен с общей шиной дифференциального операционного усилителя. На фиг. 1 пр-едстовлена схема генератора линейно изменяющегося напряжения; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы; на фиг. 3 - сравнительная характеристика, показывающая эффект повышения постоянной времени в предлага.емом устройстве по отношению к традиционному выполнению его; на фиг. Ц и фиг. 5 варианты выполнения генератора линейно изменяющегося напряжения; на фиг. 6 и фиг. 7 - диаграммы их работы соответственно. Генератор линейно изменяющегося напряжения (фиг. 1) содержит дифференциальный операционный усилитель 1, времязадающую RC-цепь 2 и стабилизированный источник двухполярного напряжения 3, состоящий из последовательно, соединенных двух стабилитронов 4 и 5 и баластного резистора 6, при этом общий вывод конденсатора 7 и резистора 8 времязадающей цепи 2 подключен к неинвертирующему входу 9 дифференциального операционного усилителя 1, выход 10 которого соединен с его же инвертирующим входом 11, а вторые выводы конденсатора 7 и резистора 8 подключены сос тветственно к плюсовой шине 12 минусовой шине 13 стабилизированного двухполярного источника напряжения 3, к которым подключены выводы питания дифференциального операционного усилителя 1, причем общая шина последнего соединена со средним выводом 1 источника питания 3. При подключении к устройству (фиг. 1) источника питания постоянного тока с напряжением +Е на шина 12 и 13 устанавливаются относительн точки искусственного нуля И с ус ловным нулевым уровнем напряжения Ufl (фиг. 2) соответственно уровни стабилизированного напряжения которые подаются как на вво ды питания микросхемы операционного усилителя 1, так и на вторые выводы времязадающих конденсаторов 7 и резистора 8 времязадающей RC-цепи 2. В начальный момент времени после включения питания при t О падение напряжения на конденсаторе 7 равно нулю, т.е УС О, поэтому инвертир щий вход 9 операционного усилителя оказывается под потенциалом плюсовой шины 12 со стабилизированным ур нем напряжения ., а на выходе 1 операционного усилителя 1 относител но нулевого уровня напряжения Ug, установившегося в точке I между ст билитронами и 5, которые формирую разнополярные уровни напряжения и устанавливается уровень выходного напряжения, соответствующий напряжению насыщения конкретного ти микросхемы операционного усилителя т.е. - +Ue,bix-( нас. Далее при t О начинается процес заряда конденсатора 7 через резистор 8 и через входное сопротивление Rgj( операционного усилителя 1, т.е. начинается процесс интегрирования скачка уровня постоянного напряжения , в результате чего на выходе 10 операционного усилителя 1 формируется сигнал Uob,(t) с линейно изменяющимся во времени напряжением, уровень которого спадает от величи Ь1 Ugbu +Ug,,;.,цc}c до величины Jвы Ugbix7Hqt. чего процесс формирования линейно изменяющегося напряжения заканчивается. Для повторения следующих циклов работы генератора электрический режим его возвращают в исходное состоя ние путем отключения источника питания с напряжением +Е или путем замыкания обкладок конденсатора 7 с последующим подключением источника питания или размыканием цепи, шунтирующей конденсатор 7. Предлагаемый генератор линейно изменяющегося напряжения может быть также использован в качестве формирователя длительных интервалов време ни, при этом используется линейно спадающий участок выходной характеристики (фиг. 2) от уровня +UBbfxiHCJc до уровня опорного напряжения, при котором срабатывает выходной каскад (не показан), т.е. до уровня Ug(j,j и,..р , причем используется калиброванная величина изменения выходного напряжения ди UgbinlHac - (-Ucp) Bbi ciHac Uc p const, которая определяет величину формируемого интервала времени дТ. На фиг. 3 представлены экспериментально полученные зависимости 6Т f(R) -при С const и ди const. Зависимость 15 для традиционной схемы Cl3, а зависимость 16 - для предлагаемой схемы генератора. Наклонные участки кривых 15 и 1б отражают рабочий диапазон использования постоянной времени t времязадающей RC-цепи, а нелинейные и горизонтальные участки этих кривых определяют порог, ограничивающих возможностей повышения величины Т до Эффективность работы предлагаемого . генератора выражается возможностью резкого увеличения постоянной време интегрирования, определяемой величиной коэффициента усиления К операционного усилителя 1, так как входное сопротивление Rgxi последнего для схемы повторителя напряжения, используемой в Предлагаемом генераторе, возрастает в К + 1 раз, т.е. ReXf (к + 1) , где коэффициент усиления К для современных операционных усилителей имеет величины К 2000.0125000, а в эксперименте кратность повышения постоянной времени равна более чем четырем порядкам (фиг. 3). Эффект повышения точности формирования линейно изменяющегося напряжения выражается возможностью интерпо- . ляции линейного наклонного участка характеристики в область высоких значений постоянной времени Т и возрастания предельной величины сопротивения RnP времязадающей RC-цепи от до Rf,p , а таке снижением величины напряжения шуа на выходе генератора из-за сокращения количества резисторов, подключенных к входам операционного усилителя, обеспечения потенциальной возможости уменьшения номинальной величиы сопротивления резистора R времяэдающей RC-цепи.

Второй вариант схемы генератора линейно изменяющегося напряжения (фиг. , диаграмма работы на фиг, 6) позволяет дополнительно повысить постоянную времени интегрирования в 89 раз, а третий вариант схемы генератора /мнейно изменяющегося напряже ния (фиг. 5, диаграмма работы на фиг. 7) позволяет дополнительно повысить постоянную времени интегрирования в 60 раз. Повторные циклы работы для обоих вариантов осуществляются путем отключения источников питания и закорачиванием времязадающего конденсатора с последующим подключением источников питания и размыкания цепей, шунтирующих времязадающие конденсаторы.

Формула изобретения

1. Генератор линейно изменяющегося напряжения, содержащий дифференциальный операционный усилитель, времязадающую RG-цепь и стабилизированный источник двухполярного напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения постоянной времени и повышения точности, времязадаю.щая RC-цепь подключена к шинам стабилизированного источника двухполярного напряжения, общий вывод конденсатора и резистора времязадающей RC-цепи кодключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом .

2. Генератор по п. 1, о т л и чающийся тем, что средний вывод стабилизированного источника двуполярного напряжения соединен с общей шиной дифференциального операционного усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент ФРГ № 2245 01,

кл. G Об G 7/18, опублик. 1973.

2.Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительны с устройствах. Л., Энергия, 1980, с. 139 (прототип),

п,0Фиг.1

,

fcr

/Л/дГв

55

«ч

-f

/cr

if/MI нас.

euxiHac

Фи.1

f/ 4с±}

I

-fr0-HZD

UtM

0tf.

Фиг.5 Ю UfMX