Степенной преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве функционального преобразователя для вычисления квадратного корня с малой погрешностью и высоким быстродействием. Цель изобретения - повышение инструментальной точности измерений. Преобразователь содержит сумматор, блок деления и источник опорного напряжения с соответствующими связями. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве функционального преобразователя для вычисления квадратного корня с малой погрешностью и высоким быстродействием в большом динамическом диапазоне.

Известно устройство [1] для извлечения квадратного корня, содержащее последовательно генератор тактовых импульсов, интегратор, блок сравнения, ключ, сглаживающий фильтр, с выхода которого постоянная составляющая сигнала поступает в обратную связь интегратора.

Недостатком устройства являются дрейф интегратора, влияющего на погрешность преобразования, в режиме малого сигнала. Устройство не обладает высоким быстродействием.

Известно другое устройство [2] содержащее компаратор, усилитель, интегратор, сумматор, вход которого соединен с выходом устройства, а выход квадратора поступает на вход сумматора как обратная связь устройства. В установившемся режиме получают на выходе напряжение, пропорциональное корню квадратному из входного напряжения.

Устройство обладает в установившемся режиме погрешностью около 0,3% однако при этом необходим прецизионный квадратор. Устройство не обладает высоким быстродействием.

Известно другое устройство [3,а] с использованием логарифмического и антилогарифмического усилителей.

Устройство весьма простое, однако обладает температурной погрешностью из-за использования нелинейных участков характеристик р-н переходов полупроводниковых приборов.

Известно другое устройство [3,б] для извлечения квадратного корня, содержащее блок деления, на первый вход которого поступает входное напряжение, а выход устройства подключен к второму входу блока деления в качестве обратной связи.

Устройство простое, однако имеет погрешности преобразования для сигналов малой величины.

Наиболее близким по техническим решениям и используемым общим блокам является степенной преобразователь [4] содержащий множительно-делительный блок и два сумматора, причем первый вход преобразователя подключен к первому и второму входам множительно-делительного блока, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого является выходом преобразователя, который соединен также с первым входом второго сумматора, выход которого подключен к третьему входу множительно-делительного блока, вторые входы сумматоров объединены и подключены к второму входу преобразователя.

Преобразователь обладает высоким быстродействием, методическая погрешность преобразования равна нулю, однако инструментальная погрешность преобразования входных сигналов малой величины будет значительно увеличиваться, так как к используемому множительно-делительному блоку предъявляются высокие требования во всем динамическом диапазоне.

Целью изобретения является повышение точности преобразования в большом динамическом диапазоне.

Цель в степенном преобразователе, содержащем блок деления и два сумматора, причем первые входы сумматоров объединеы, выход первого сумматора подключен к первому входу блока деления, достигается тем, что в него введен источник опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, выход которого подключен к второму входу блока деления, выход которого соединен с первыми входами сумматоров и является выходом преобразователя, вход которого подключен к второму входу первого сумматора.

Сущность изобретения заключается в том, что в преобразователе предлагается и реализуется математическое выражение, при котором к блоку деления существенно снижаются требования, так как в данном случае блок деления должен обеспечивать высокую точность не во всем динамическом диапазоне, а при входных сигналах в интервале (X_max/2)XX_max.

Схема степенного преобразователя представлена на чертеже.

Преобразователь содержит: первый сумматор 1, второй сумматор 2, блок 3 деления, источник 4 опорного напряжения.

Блоки в преобразователе соединены следующим образом. Первый вход первого сумматора 1 и первый вход второго сумматора 2 объединены и соединены с выходом блока 3 деления, а также с выходом преобразователя. Вход преобразователя соединен с вторым входом первого сумматора 1. Выход сумматора 1 соединен с первым входом блока 3 деления. Выход источника 4 опорного напряжения соединен с вторым входом второго сумматора 2. Выход второго сумматора 2 соединен с вторым входом блока 3 деления.

Предлагаемый степенной преобразователь работает следующим образом.

Входное напряжение, например U_x, численно равное входной величине X, поступает на второй вход первого сумматора 1, на первый вход которого поступает напряжения U_вых с выхода преобразователя. Таким образом на выходе первого сумматора 1 получают напряжение U₁, равное U₁=U_x + U_вых.

Напряжение U_вых с выхода преобразователя поступает на первый вход второго сумматора 2, на второй вход которого поступает напряжения U_оп постоянного тока с выхода источника 4 опорного напряжения. Таким образом на выходе второго сумматора 2 получают напряжение U₂, равное U₂=U_оп + U_вых.

На выходе блока 3 деления получают напряжение U_вых U₁/U₂, равное: U_вых (U_x + U_вых)/(U_оп + U_вых) (1) Напряжение U_оп выбирают такой величины, чтобы для блока 3 деления выполнялось следующее равенство: U₃=U₁/U_оп=U₁ (2) Для этого выбирают масштабный коэффициент для блока 3 деления таким, чтобы выполнялось следующее равенство: U₃=U_оп/U_оп=U_оп (3) Решаем уравнение выражения (1) относительно U_вых, тогда получим: U_выхU_оп+U²_вых= U_х+U_вых (4) Из (2) следует, что U_выхU_оп U_вых, поэтому после упрощения (4) получаем U²_вых= U_x (5)
Из (5) получаем и после подстановки в (1) получаем математическое выражение, которое реализует предлагаемый преобразователь:

Выбираем U_x(max)=U_оп, тогда из (2) получаем
Следовательно, знаменатель в (6) изменяется не во всем динамическом диапазоне, а в ограниченном, что и позволяет повысить инструментальную точность преобразования.

D заявляемом преобразователе сумматоры выполнены на операционных усилителях, а блок деления на микросхеме типа 525 ПС2А.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 369579, кл. G 06 G 7/20, 1973.

2. Авторское свидетельство N 648994, кл. G 06 G 7/20, 1979.

3. Алексеенко А.Г. Коломбет Е.А. Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС, М. Сов. радио, 1980 а)с. 100 101; б) с. 90 91.

4. Авторское свидетельство СССР N 1166145, кл. G 06 G 7/20, 1985 (прототип).

Формула изобретения

Степенной преобразователь, содержащий блок деления и два сумматора, выход первого сумматора подключен к первому входу блока деления, первый вход второго сумматора является входом преобразователя, отличающийся тем, что в него введен источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход второго сумматора подключен к второму входу блока деления, выход которого соединен с вторыми входами сумматоров и является выходом преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1