Пороговое устройство

 

ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО по авт. св. № 1037203, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения количества формируемых порогов, в него введены 4 1чЭ fug.} дополнительные ключ, формирователь режима работы ключа и резистор на каждый дополнительно формируемый порог, причем первый вывод дополнительного ключа соединен с выходом формирователя режима работы ключа, вход последнего соединен с выходом операционного усилителя, второй вывод этого ключа соединен с общей шиной устройства, а третий - с nepBbiM выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подсоединен к общей точке соединения первого и второго резисторов делителя опорного напряжения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ш4G05 В1 01

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

CO

«Ь»

hei

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 1037203 (2 1) 3576 107/24-21 (22) 12.04.83 (46) 30.07.85. Бюл. № 28 (72) В. Н. Рябоконь (53) 621.374.33(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1037203, кл. G 05 В 1/01, 19.04.82. (54) (57) ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО по авт. св. № 1037203, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения количества формируемых порогов, в него введены б

„,SU, 1170420 A дополнительные ключ, формирователь режима работы ключа и резистор на каждый дополнительно формируемый порог, причем первый вывод дополнительного ключа соединен с выходом формирователя режима работы ключа, вход последнего соединен с выходом операционного усилителя, второй вывод этого ключа соединен с общей шиной устройства, а третий — с первым выводом дополнительного резистора, второй вывод которого подсоединен к общей точке соединения первого и второго резисторов делителя опорного напряжения.

1 170420

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в автоматических системах регулирования и контроля при построении устройств анализа.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения количества формируемых порогов.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема четырехпорогового устройства; на фиг. 2 — пример принципиальной электрической схемы формирователя режима работы ключа; на фиг. 3— семейство выходных характеристик вида допускового контроля, где характеристика ачетырехпороговая, в — многопороговая; на фиг. 4 — семейство выходных характеристик гистерезисного вида, где характеристика а — четырехпороговая, в — многопороговая.

Пороговое устройство содержит операционный усилитель 1, ключ 2 на транзисторе 3 и резисторе 4, подключенный к выходу операционного усилителя 1, при этом первый вывод первого резистора 5 делителя опорного напряжения подключен через второй резистор 6 делителя опорного напряжения к второму входу операционного усилителя 1, подсоединенному через третий резистор 7 делителя опорного напряжения к общей шине, а третий вывод ключа 2 через резистор 8 соединен с точкой соединения первого и второго резисторов 5 и 6 делителя опорного напряжения, истОчник двухполярного питания 9, выводы которого соединены с соответствующими выводами питания операционного усилителя 1. источник опорного напряжения 10, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора 5 делителя опорного напряжения, при этом к первому входу операционного усилителя 1 подключен источник ll входного сигнала, а выход операционного усилителя

1 подключен через один формирователь 12 режима работы ключа к первому выводу одного дополнительного ключа 13, третий вывод которого подключен через один дополнительный резистор 14 к точке соединения первого и второго резисторов 5 и 6 делителя опорного напряжения, и через другой формирователь 15 режима работы ключа к первому выводу другого дополнительного ключа 16, третий вывод которого подключен через другой дополнительный резистор

17 к точке соединения первого и второго резисторов 5 и 6 делителя опорного напряжения, а вход и выход одного формирователя 12 режимов работы подключен соответственно к одним входной 18 и выходной 19 клеммам, а вход и выход другого формирователя 15 режимов работы — к другим входной 20 и выходной 21 клеммам, при этом каждый формирователь режимов работы выполнен на транзисторе 22, база которого подключена через резистор 23 к вхо5

55 ду формирователя и через резистор 24 к шине источника питания 9, эмиттер соединен к шине нулевого потенциала, а коллектор через резистор 25 к шине источника питания 9 и через последовательно соединенные резисторы 26 и 27 к другой шине источника питания 9.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим работу порогового устройства (фиг. 1) с выходной характеристикой вида допускового контроля (фиг. 3). Данный вид выходной характеристики обеспечивается подсоединением неинвертирующего входа операционного усилителя 1 к точке соединения резисторов 6 и 7 делителя опорного напряжения, а инвертирующий вход — к источнику 11 входного сигнала (для указанного варианта построения устройства входы операционного усилителя 1 на фиг. 1 обозначены без скобок).

Напряжения нечувствительности ключей

2, 13, 16 определяются напряжениями отсечки используемых в них транзисторов. Введение формирователей 12, 15 (режима работы ключа) позволяет изменить напряжения отсечки и логику работы соответственно ключей 13 и 16

Приведенная на фиг. 2 схема формирователя работает следующим образом.

Суммарное сопротивление резисторов 25 и 26 выбирается меньше сопротивления резистора 27. Тогда при закрытом транзисторе 22 суммирование напряжений +Е„и — Е, обеспечивает отрицательное напряжение на выходе 19(21) формирователя 12 (15) режима работы ключа. При открытом транзисторе 22 выходное напряжение формирователя имеет положительную полярность, т. е. рассматриваемый формирователь осуществляет инвертирование входного сигнала.

Управление транзистором 22 осуществляется напряжением, поступающим на вход 18(20) формирователя. Подключение вывода резистора 24 к шине положительного или отрицательного потенциала позволяет перемегцать линейный диапазон входного напряжения ключей в область отрицательных или чожительных напряжений.

Обозначим входные напряжения ключей

2, 3 и 16, соответствующие началу линейного диапазона работы (со стороны областей закрытого состояния этих ключей), через Uç2, U-13, U-16, соответственно. Тогда напряжения, соответствующие концу линейного диапазона работы (со стороны областей открытого состояния ключей), обозначим соответственно через Uo2, Uol 3 и

Uo16.

Характеристика 1 на фиг. 3 формируется при выполнении следующих условий:

+1 1в х,„)13з1 3)Upl 3)Up2)U 2)0; — U- -

Здесь UB . „— напряжения насыщения усилителя 1.

1170420

R7 ° R14 ° R17 л = оиp5.— -Р Д вЂ” Fi7 (76 9+(R5 р ), -+ R5 — RT7y%1% 1Ц7 + +

R5 ° R7- R14

R5. Я Г4 Rl7+ (F6+9+(R5 Р14+ Р14 ° R l 7+75 Р17 погрешность, вносимая остаточным напряжением U 16 открытого ключа !6:, R5 R7- Rl7

R5. Р14 RI7+ (15+ РОГ RT4+R5 Р 7+ ГГ4 И7 погрешность, вносимая остаточным напряжением U 13 открытого ключа 13;

R17 — сопротивление резистора 17.

Указанные условия выполняются подсоединением вывода резистора 24 формирователя 12 режима работы ключа к шине — Е„, а вывода резистора 24 формирователя 15 режима работы ключа — к шине Е„ источника питания 9.

В исходном состоянии на выходе операционного усилителя 1 устанавливается максимальное положительное напряжение

U,„поскольку его неинвертирующий вход находится под положительным потенциалом, определяемым источником 10 опорного напряжения. В результате ключ 2 открыт, а ключи 13, 16 — из-за инертирующего действия формирователей 12, 15 режима работы ключа — закрыты. Открытый ключ

2 через резистор 8 шунтирует делитель опорного напряжения на резисторах 5 — 7.

Установившееся на неинвертирующем входе усилителя 1 пороговое напряжение U„„l определяется выражением

R7 R8

U" 1= Е„ 5 — - + + 7 -- 5+ @-+ Л1, R5 ° R7 где Л =U-2R5 —.- a+ — (р6+рудр5+ р81 погрешность, вносимая остаточным напряжением U 2 открытого ключа 2;

R5, R6, R7, R8 — соответственно сопротивления резисторов 5, б, 7 и 8;

ń— напряжение опорного источ ника 10;

U-.2 = остаточное напряжение замкнутого ключа 2.

При достижении входным сигналом (совпадающей с напряжением Е„полярностью) величины напряжения U,l выходное напряжение усилителя 1 резко уменьшается.

При уменьшении выходного напряжения усилителя 1 до величины U.13 ключ 13 начинает приоткрываться, дополнительно шунтируя через свой резистор 14 делитель опорного напряжения. Таким образом, действие открывающегося ключа 13 эквивалентДальнейшее нарастание входного сигнала не изменяет состояния усилителя 1.

Уменьшение входного сигнала до уровня

U,3 вызывает скачкообразное изменение выходного напряжения усилителя 1 из отрино действию положительной обратной связи и выходное напряжение усилителя 1 продолжает уменьшаться с возросшей скоростью до величины Up2 ключа 2, вывода его из насыщенного состояния в линейный режим работы. При этом сопротивление ключа 2 возрастает, что уменьшает шунтирующее действие резистора 8 на делитель и увеличивает напряжение на неинвертйрующем входе усилителя 1 до уровня входного сиг10 нала, т. е. действие ключа 2 аналогично действию отрицательной обратной связи.

Линейный режим работы усилителя 1 сохраняется до тех пор, пока в результате отслеживания нарастающего входного сигнала его выходное напряжение уменьшится до величины U.2, когда линейный участок работы ключа 2 исчерпан, и ключ полностью закрылся, что соответствует обрыву отрицательной обратной связи.

Установившееся при этом второе пороговое напряжение определяется выражением

R7 ° R14

11"2=ЕолР5 РД+Д6+RÓÓÄ Ù4 +Л2

R5 ° R7

" " 3ЯБ РГ4+ ДГ+ ГДЯ5+- ЯТ4) погрешность, вносимая остаточным напряжением U-:.13 открытого ключа 13;

R14 — сопротивление резистора 14.

При превышении входным сигналом уровня U„2 выходное напряжение усилителя 1 скачком изменяется от уровня U32 до максимального отрицательного уровня — U.. „.

При этом транзистор 22 формирователя 15 режима работы ключа открывается и на ключ

l6 поступает отпирающее напряжение. Открывшийся ключ 16 через резистор 17 дополнительно к ключу 13 шунтирует делитель опорного напряжения, что соответствует введению положительной обратной связи.

В результате на неинвертирующем входе усилителя l устанавливается новое пороговое напряжение UÄ3 цательной области в положительную до величины напряжения U.2. При этом формирователь 15 режима работы ключа сформировал запирающее напряжение и ключ 16 закрылся, ускорив тем самым процесс измене1170420

R7 К8 К14 ! ),4= Е „ --1 1- - — R8+ +R7)-(R5 — 1-4+R5 — + — - Т ) — + Л5+ Л6, R5 ° R7 ° R8

R5. ЯЯ РТ4+ Р6+й7)(Р5 Г14+ЯБ. РЗ -БМ. РИ) погрешность, вносимая остаточным напряжением U 13 открытого ключа 13;

R5 R7 R14

R5 РГ РТ4--1- (06+77) (R5 . Ч Г4+Я5 ЯЗ - Б3. Т4 погрешность, вносимая остаточным напряжением открытого ключа 2. ния полярности выходного напряжения усилителя 1.

Приоткрывшийся ключ 2 начинает шунтировать делитель опорного напряжения, поддерживая равенство потенциалов на дифференциальных входах усилителя 1. Отслеживание уровня входного сигнала на неинПоскольку линейный режим работы ключа 2 исчерпан, что соответствует размыканию отрицательной обратной связи, дальнейшее уменьшение входного сигнала приводит к резкому нарастанию выходного напряжения усилителя 1. Превышение выходным напряжением усилителя 1 уровня Uo13 вызывает призакрывание ключа 13, действие которого аналогично цепи положительной обратной связи, что ускоряет процесс нарастания выходного напряжения усилителя 1.

В результате на выходе усилителя 1 устанавливается напряжение )вых щвд, ключи

13 и 16 закрываются, а ключ 2 открывается. Таким образом устройство приводится в исходное состояние и на неинвертирующем входе усилителя 1 устанавливается пороговое напряжение U„l.

Таким образом, введение двух ключей с инвертирующими формирователями, обеспечивающими эффект коммутируемых цепей 40 положительной обратной связи в дополнение к имеющемуся ключу 2, обеспечивающему эффект коммутируемой цепи отрицательной обратной связи, позволяет сформировать гистерезисные свойства по каждому из имевшихся в устройстве — прототипе порогам.

Введение большего числа дополнительных ключей с формирователями на входах, часть из которых будут инвертирующими, а остальные — неинвертирующими (например, обычный резистив ный делитель входного напряжения с дополнительным смещением), позволяет сформировать многопороговую выходную характеристику (характеристику в на фиг. 3).

Подачей входного сигнала на неинвертирующий вход усилителя 1 устройства на фиг. 1 формируется выходная характеристика, имеющая зеркальное относительно оси

U... изображение характеристики на фиг. 3. вертирующем входе усилителя 1 продолжается до полного открытия ключа 2. При этом выходное напряжение усилителя 1 соответствует величине Uo2. Формируемое при этом на неинвертирующем входе усилителя пороговое напряжение U„4 определяется выражением

Изменение полярности напряжения опорного источника 10 и замена транзисторов ключей 2, 13, 16 и формирователей 12, 15 на транзисторы противоположного типа проводимости позволяет формировать выходные характеристики типа характеристик на вериг. 3, но для отрицательных значений входного сигнала.

Аналогично прототипу устройство на фиг. 1 при использовании подключения входов усилителя 1, показанных в скобках, формирует выходную характеристику гистерезисного вида (характеристику а на фиг. 4).

В отличие от предыдущего варианта подключения, ключи 3 и 16 приобретают свойства коммутируемых цепей отрицательных обратных связей, а ключ 2 — свойство коммутируемой цепи положительной обратной связи. В остальном устройство фиг. 1 работает аналогично рассмотренному варианту и не требует подробного рассмотрения.

Показанные на характеристике а фиг. 4 пороговые уровни U„l — V„4 рассчитываются по формулам рассмотренного ранее варианта подключения входов усилителя 1.

Многопороговая выходная характеристика в на фиг. 4 формируется аналогично характеристике в на фиг. 3 за счет использования большего количества дополнительных ключеЙ с формирователями на входе.

Количество формируемых устройством пороговых уровней определяется линейным диапазоном входного сигнала каждого из ключей, причем суммарный линейный диапазон используемых ключами входных сигналов не должен превышать линейного диапазона выходного напряжения усилителя 1.

Так, при размахе выходного напряжения усилителя 1, равном 20В, и линейном диапазоне входного сигнала каждого из ключей, равном 1В, предельное число формируемых

1170420

s(zs) та — О/ах. фиГ. 3 пороговых уровней составляет 20. Сужение линейного диапазона по входам ключей (за счет некоторого усложнения схем формирователей) позволяет существенно увеличить число формируемых пороговых уровней.

Возможно некоторое упрощение схем формирователей за счет выполнения транзисторных ключей по схеме с общей базой. При этом необходимость в функции инвертирования для формирователей исключается и их схемы упрощаются до схемы резистивного делителя напряжения. Однако погрешности, вносимые такими ключами в формируемые пороговые уровни, несколько возрастают.

1 170420

fl7OX

Оз 1б

guФ

Реда кто р М. То вти н

Заказ 4702/44

ЦЭЦ

Llu 13

ЙаГ

Uo2

Составитель Б. Кирсанов

Техред И. Верес Корректор Л. Бескид

Тираж 863 Поднисное

ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4