Квадратор Советский патент 1983 года по МПК G06G7/20 

(5) КВАДРАТОР

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполы зовано в аналоговых вычислительных машинах, а также для предварительной обработки переменных сигналов.

Известен квадратор, использующий метод логарифмирования сигналов Cl .

Недостатком квадраторов, выпЬлненных на основе этого метода, является узкий частотный диапазон и зависимость частотного диапазона от динамического диапазона входного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является квадратор, работа которого основана на методе кусочно-линейной ,§ аппроксимации. Квадратор содержит выпрямитель, вход которого является : входом квадратора, ийтегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, выход которо-зо го соединен с входом интегратора, резистивный делитель напряжения, краййие выводы которого подключены соот ветственно к стабилизированному ис- точнику питания и к шине нулевого потенциала, шесть квадрирующих транзисторов, шесть токозадающих резисторов, выход операционного усилителя через резистор обратной связи подключен к инвертирующему входу операционного усилителя и общей точке соединения коллекторов первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов, базы которых подключены к соответствующим выводам резистив ного делителя напряжения, а эмиттеры первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов через соответствующие токозадающие резисторы и через резистор подключены к инвертирующему входу операционного усилителя С 2 3.

Поскольку данный квадратор основан наметоде кусочно-линейной аппроксимации, то-методическая погрешность операции квадрирования будет целиком зависеть от числа п участков аппрокси.мации. При п, стремящемся к бесконечности, методическая погрешность стре мится к нулю. Однако при увеличении участков аппроксимации существенно усложняется устройство и возрастает инструментальная погр1ешность. Это свя зано с необходимостью стабилизации в широком частотном диапазоне как значений каждого участка аппроксимации, так и их наклона относительно текущих значений Входного напряжения. Необходимость нахождения компромисса между методической и инструментальной погрешностями существенно ограничивает точность и частотный диапазон квад ратора. Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона квадратора. Поставленная цель достигается тем что в квадратор, содержащий выпрямитель, вход которого является входом квадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, четыре токозадающих резистора, четыре квадрирующих транзистора, причем коллекторы первого и второго квадрирующих транзисторов объединены,, а база третьего и четвертого квадрирующих транзисторов соответственно через первый и второй токозадающие резисторы соединены со стабил11зированным источником питания первый вывод третьего токозадающего резистора подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соеди нен с базой четвертого.квадрирующего транзистора, введены источник опорно го напряжения, генератор треугольного напряжения, сумматор и два источника образцового тока, причем входы сумматора подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выводом четвертого токозадающего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход операционного усилителя соединен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры первого и третьего, второго и четвертого квйдрирующих транзисторов объединены и подключены соответственно к первому и второму источникам образцового тока, коллектор трет его квадрирующего транзистора соеди нен с входом интегратора, коллектор четвертого квадрирующего транзистора соединен с шиной нулевого потенциала. На фиг. 1 приведена блок-схема квадратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Квадратор содержит выпрямитель 1, операционный усилитель (ОУ) 2, источник 3 опорного напряжения (ИОН), генератор треугольного напряжения (ГНТ) 4, сумматор 5, квадрирующие транзисторы 6-Э, источники 10 и 11 образцового тока (ЙОТ), токозадающие резисторы 12-15. стабилизированный источник 16 питания, интегратор 17. Вход выпрямителя 1 соединен с входом квадратора, а выход его подключен к инвертирующему входу ОУ 2, неинвертирующий вход коорого соединен непосредственно с коллекторами первого 6 и второго 7 транзисторов и через-четвертый токозадающий резистор 1 с выходом сумматора 5, один из входов которого подключен к выходу ГТН 4, а другой - к выходу ИОН 3- ВЫход ОУ 2 соединен с базами первого б и второго 7 транзисторов. Эмиттеры первого 6 и третьего 8 транзисторов соединены с выходом первого ЙОТ 10, а эмиттеры второго 7 И четвертого 9 квадрирующих транзисторов соединены с выходом второго ЙОТ 11. База третьего транзистора 8 через первый токозадающий резистор 12 и через второй токозадающий резистор 13 соединена с базой четвертого транзистора 9, а через третий токозадающий резистор 15 - с общей шиной устройства. База четвертого транзистора 9 через резистор О связана с выходом стабилизированного источника 16 питания. Коллектор третьего 8 квадрирующего транзистора подключен к входу интегратора 17, а коллектор четвертого транзистора 9 соединен с общей шиной устройства. Квадратор работает следующим образом. Работа квадратора основана на методе кусочно-линейной аппроксимации. Точность квадратирования данного устройства не зависит от количества участков аппроксимации. Это достигается путем квадратичного выпрямления суммы входного и вспомогательного сигналов треугольной формы. Квадратор имеет всего два участка аппрокси|Цации (фиг. 2) fO при O Vx-$0,5 2kVx1 при 0, где V - входное напряжение квадрато ра ; k - коэффициент пропорциональнос ти; Зц через третий квадрирующий транзистор 8. Амплитуда напряжения VY треугольной формы принята за 1 В соответствии с этим протяженность участков аппроксимации также равна 0,5 и 1 соответственно. Пусть в первоначальный момент вход ной сигнал равен нулю. В результате напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 2 тоже равна нулю. В этом случае транзисторы 6 и 7 открыты и токи 3о и Зоо полностью протекают через указанные транзистор и создают падение напряжения Vp на четвертом токозадающем резисторе 1. Значение опорного напряжения источника 3 опорного напряжения задается равным по значению t и противопо ложным по знаку. Стабилизированный источник Т6 напряжения и токозадающие резисторы 12 и 15 создают необходимое смещение на базах транзисторов 8 и 9 Пусть измеряемый сигнал имеет зна чение Uj (фиг. 2) и не успевает существенно измениться за период напря жения и треугольной формы. Покажем, что среднее за период T-j- сигнала тре угольной формы напряжение .jj jравно Uj(. Запишем уравнение баланса напря жений для точки А схемы квадратора Von-(3fe- 3iyRi4- UT(t)-/U(t), где 3g и 3- - токи через квадрирующие транзисторы 6 и 7 соответственно. Отсюда видно, что.любое изменение U,(t) приведет к изменению значений токов 3{j и 3-,, протекающих через резистор R. Это осуществляется путем перераспределения токов 3 и 3-j через транзисторы 6, 8 и 7, 3 соответственно. При изменении входного напряжения от О до 0,5 ток 3- перераспределяется между транзисторами 7 и 9 в соответст с формой изменения U)((t) и при Ux(t)0,5 ток 3-J полностью протекает через транзистор 9. Аналогично перераспределяется, ток 3(, через транзисторы 6 и 8 при изменении входного напряжения от 0,5 до 1,5. Найдем значение напряжения на интеграторе 17 за период напряжения треугольной формы 3(t)at (t).at Bbtx ТГ з. где Зйср- среднее значение тока за , интервал времени tn-t. Выразив Ор,и через значение входного наТтполучим Ua пряжения Uxi 8ЫXi Xt Из вышесказанного видно, что методическая погрешность квадратирования не зависит от числа участков аппроксимации, а связана только с соотношением периодов TX входного сигнала и Т сигнала треугольной формы. При отноTXшении т стремящемся к бесконечностти, методическая погрешность стремится к нулю. Инструментальная погрешность квадратора зависит от стабильности амплитуды генератора треугольной формы и стабильности источников 10 и 11 образцового тока, задающих . границы участков аппроксимации. По- скольку источники 10 и 11 образцового тока работают в статическом режиме, задача обеспечения их необходимой ста.бильности не вызывает затруднений. Линейность аппроксимирующей функции и частотный диапазон квадратора будут определяться только параметрами операционного усилителя 2, а именно коэффициентом и полосой пропускания. Современные операционные усилители имеют коэффициент усиления в несколько десятков тысяч и полосу пропускания в несколько мегагерц, что вполне достаточно для обеспечения погрешности нелинейности функции аппроксимации на уровне сотых долей процента и частотного диапазона квадратора в.несколько сотен килогерц. Технико-экономический эффект заключается в получении квадратора большей точности и с более широким частотным диапазоном. формула изобретения Квадратор, содержащии выпрямитель, ход которого является.входом квадраора, интегратор, выход которого явяется выходом квадратору, операционый усилитель, четыре токозадающих езистора, четыре квадрирующих транистора, причем коллекторы первого и торого квадрирующих транзисторов объдинены, а базы третьего и четвертоо квадрирующих транзисторов соответтвенно через первый и второй токозаающие резисторы соединены со стабиизированным источником питания, первый вывод третьего токозадающего резистора подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соединен с базой четвертого квадрирующего тран зистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона, в него введены источник опорного напряжения, генератор треугольного напряжения, cyMMatop и два источника образ цового тока, причем входы сумматора подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выводом четвертого токозадающего резисторы, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход операционного усилителя соеди. (Jon 99 1 нен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры П;ервого и третьего, второго и четвертого квадрирующих транзисторов объединены и подключены соответственно к первому и второму источникам образцового тока, коллектор третьего квадрирующего транзистора соединен с входом интегратора, коллектор четвертого квадрирующего транзистора соединен с шиной нулевого потенциала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М., Советское радио, 1979, с. 179. 2.Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Т.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М., Радио и связь, 1981, с. 111-112, рис. 3.326 (прототип) .