Интегрирующее устройство

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для интегрирования входных токов и напряжений. Техническим результатом является уменьшение погрешности интегрирования. Устройство содержит интегрирующий операционный усилитель, дифференцирующий операционный усилитель, разрядный ключ, компаратор, одновибратор и делитель частоты прямоугольных импульсов. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике.

Известны интеграторы напряжения на основе операционного усилителя (ОУ) с резистором на входе и конденсатором в цепи обратной связи (т.е. интегрирующего ОУ) - (см. Гутков B.C. Интегральная электроника в электроизмерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С.94).

Недостатком таких устройств является накопление погрешности в режиме длительного интегрирования из-за наличия входного тока и напряжения смещения используемого ОУ.

Известны также интеграторы, в которых используются цепи отрицательной обратной связи по постоянному напряжению, с помощью которых устраняется эффект накопления погрешностей от интегрирования входного тока и напряжения смещения ОУ (см. Зыкин Ф.А., Казаков М.К. Интеграторы периодических сигналов / Изв. ВУЗов. Энергетика. -1988. - 7).

Недостатками таких устройств является появление погрешностей интегрирования и увеличение инерционности из-за введения дополнительных обратных связей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является интегрирующее устройство, содержащее интегрирующий операционный усилитель, вход и выход которого является соответственно входом и выходом устройства, дифференцирующий операционный усилитель, вход которого соединен со входом интегрирующего операционного усилителя, разрядный ключ, подсоединенный параллельно конденсатору интегрирующего операционного усилителя, компаратор, подсоединенный к выходу дифференцирующего операционного усилителя, одновибратор, выход которого соединен со входом управления разрядного ключа (см. а. с. СССР 1624484, опубл. 30.01.91, БИ 4), которое принято за прототип.

В таком устройстве погрешность от интегрирования входных токов и напряжения смещения снижается периодическим разрядом конденсатора интегрирующего ОУ с помощью замыканий ключа в каждый период напряжения в моменты перехода выходного напряжения через нулевое значение (фиг.1д).

Но это приводит к возникновению погрешностей интегрирования, поскольку в интервалы времени замкнутого состояния ключа (фиг.1д) происходит потеря информации об интегрируемом напряжении.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в снижении погрешностей интегрирования периодических напряжений в режиме длительного интегрирования.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном интегрирующем устройстве, содержащем интегрирующий операционный усилитель, вход и выход которого является соответственно входом и выходом устройства, дифференцирующий операционный усилитель, вход которого соединен со входом интегрирующего операционного усилителя, разрядный ключ, подсоединенный параллельно конденсатору интегрирующего операционного усилителя, компаратор, подсоединенный к выходу дифференцирующего операционного усилителя, одновибратор, выход которого соединен со входом управления разрядного ключа, особенность заключается в том, что в него введен делитель частоты прямоугольных импульсов, включенный между выходом компаратора и одновибратора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг.1 изображены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг.2 приведена схема устройства.

Интегрирующее устройство содержит (фиг.2): интегрирующий ОУ 1, включающий ОУ, резистор и конденсатор; дифференцирующий ОУ 2, вход которого соединен со входом интегрирующего ОУ; разрядный ключ 3, включенный параллельно конденсатору интегрирующею ОУ 1; компаратор 4, вход которого соединен с выходом интегрирующего ОУ 2; делитель частоты 5, вход которого соединен с выходом компаратора 4; одновибратор 6, включенный между выходом делителя частоты 5 и входом управления разрядного ключа 3.

Операций интегрирования гармонического напряжения (фиг.1а) происходит с помощью интегрирующего ОУ 1. Выходное напряжение устройства показано на фиг. 1д. Если не принимать никаких мер, то вследствие интегрирования напряжения смещения нуля и входных токов на выходе интегрирующего ОУ 1 будет накапливаться паразитное напряжение, что уведет ОУ в режим насыщения. Для предотвращения этого эффекта входное напряжение подается на дифференцирующий ОУ 2, выходное напряжение которого u_д показано на фиг.1б. Когда входное напряжение (фиг. 1а) достигает максимума, то напряжение u_д переходит через нулевую точку. В этот момент компаратор 4 перебрасывается в противоположное состояние (фиг. 1в). В прототипе это приводит к запуску одновибратора 6, который вырабатывает короткая импульс (фиг. 1в), замыкающий ключ 3 на малое время (фиг. 1г), разряжая конденсатор интегрирующего ОУ 1. Этим достигается принудительная фиксация начала интегрирования, причем в это время полезное выходное напряжение приближается к нулю. Вследствие потери информации об интегрируемом напряжении в моменты замыкания ключа в каждый период напряжения (что имеет место в прототипе) действующее значение выходного напряжения снижается. Это приводит к погрешности интегрирования, которая для гармонического напряжения равна где Т - период входного напряжения. Для снижения этой погрешности используется делитель частоты прямоугольных импульсов 5, что приводит к замыканию ключа 3 не в каждый период входного напряжения. Для определения погрешности в этом случае в формулу (1) необходимо вместо подставить значение = /k, где k - коэффициент деления делителя 5. Для примера в таблице показаны погрешности интегрирования (в процентах) для /Т=0,1 при изменении коэффициента k в пределах от 1 до 10, причем случай k=1 соответствует отсутствию делителя частоты, т.е. погрешностям прототипа. Из приведенных в таблице данных видно, что введение делителя частоты существенно уменьшает погрешность интегрирования даже при малом значении коэффициента деления.

Выбор значения коэффициента деления k определяется допустимым значением паразитного напряжения на выходе устройства от интегрирования напряжения смещения и входных токов за время kT.

Делитель частоты прямоугольных импульсов 5 может быть выполнен на основе использования счетчиков импульсов (см. например, Токхейм Р. Основы цифровой электроники. - М.: Мир, 1988. - С.163-190).

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Интегрирующее устройство, содержащее интегрирующий операционный усилитель, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства, дифференцирующий операционный усилитель, вход которого соединен со входом интегрирующего операционного усилителя, разрядный ключ, подсоединенный параллельно конденсатору интегрирующего операционного усилителя, компаратор, подсоединенный к выходу дифференцирующего операционного усилителя, одновибратор, выход которого соединен со входом управления разрядного ключа, отличающееся тем, что в него введен делитель частоты прямоугольных импульсов, включенный между выходом компаратора и одновибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3