Генератор треугольного напряжения

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K ПАТЕНТУ

Рис g

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4948975/21 (22) 25.06.91 (46) 1511.93 Бюл. % 41 — 42 (71} Научно-производственное объединение Тайфун" (72) Иваницкий AC„ ×êàëoâ В.Г. (73) Научно-производственное объединение "Тайфун (54) ГЕНЕРАТОР ТРЕУГОЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: устройство относится к им(в) RU (и) 2ОО3221 С1 (51) 5 НОЗ К4 Об пульсной технике и может использоваться в качестве генератора развертывающего напряжения, например, в зондовой диагностике лабороторной и космической плазмы Сущность изобретения: устройство содержит инвертирующий интегратор 1, состоящий из операционного усилителя 2, конденсатора Э, резистора 4, повторителя напряжения 8 и неинвертирующего сумматора 9, и компаратор 5.

Устройство позволяет повысить линейность и симметричность генерируемого треугольного напряжения. 3 ил

2003221

Изобретение относится к импульсной и электронной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в качестве генератора развертывающего напряжения в зондовой диагностике лабораторной и космической плазмы.

Известен генератор треугольного напряжения, содержащий операционный усилитель (ОУ), конденсатор, включенный между инвертирующим входом ОУ, являющимся выходом генератора, и общий шиной генератора, резистивный делитель напряжения, включенный между выходом ОУ и общей шиной генератора, причем к выходу этого делителя подсоединен неинвертирующий вход ОУ, и резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом ОУ.

Благодаря комбинированной обратной связи по напряжению с выхода ОУ вЂ” положительной через резистивный делитель на неинвертирующий вход и отрицательной через цепь "резистор-конденсатор" на инвертирующий вход — устройство имеет два положения квазиравновесия. Они сменяют друг друга через равные промежутки времени и характеризуются противоположными по знаку и приблизительно одинаковыми по абсолютной величине выходными напряжениями ОУ, равными его напряжениям насыщения. С момента перехода в очередное такое состояние происходит перезаряд конденсатора до напряжения, противоположного по знаку и равного по абсолютной величине его предыдущему значению. Напряжение на конденсаторе, имеющее форму, близкую к треугольной, служит выходнь1м напряжением генератора, Недостатками этого генератора являются низкие линейность и симметричность выходного напряжения. Они обусловлены тем, что и нарастание, и спад этого напряжения во времени происходит по экспоненте, что, в свою очередь, связано с экспоненциальным видом временной зависимости тока в цепи "резистор-конденсатор", подключенной к источнику постоянного напряжения.

По этой же причине значения выходного напряжения, отстоящие от указанного момента перехода — до и после него — на одинаковые промежутки времени, не равным друг другу, т.е. зависимость этого напряжения от времени несимметрична, Кроме того, негативное влияние на рассматриваемые характеристики способны оказывать шунтирующие конденсатор сопротивления инвертирующего входа 0У относительно общей шины и сопротивление нагрузки, Единственный путь повышения линейности и симметричности состоит 8 использовании по возможности малого начального участка экспоненты, но это сопряжено со снижением амплитуды выходного напряжения.

Известен также генератор треугольного напряжения, содержащий ОУ, конденсатор, включенный между инвертирующим входом

ОУ, являющимся выходом генератора, и общей шиной генератора, резистивный делитель напряжения, включенный между выходом ОУ и обшей шиной генератора, причем к выходу резистивного делителя подсоединен неинвертирующий вход ОУ, и источник тока, включенный между выходом

10 и инвертирующим входом OY и состоящий из двух полевых транзисторов и двух рези15 сторов. В общих чертах данный генератор функционирует подобно рассмотренному выше. Но, благодаря источнику тока, величина тока через конденсатор меняется в течение полупериода выходного напряжения

20 в заметно меньших пределах. В результате линейность и симметричность этого напряжения увеличиваются без снижения его амплитуды.

Однако генератор не удовлетворяет повышенным требованиям к указанным характеристикам. Дело в том, что у использованного в нем источника тока динамическое сопротивление не превышает

25 сотен килоом — единиц мегаом. Соответственно этому ограничены и предельные линейность и симметричность. Кроме того, определенный вклад s несимметричность треугольного напряжения дает то обстоятельство, что в стабилизации токов разной полярности участвуют разные пары "полевой транзистор — резистор", обусловливающие неодинаковые динамические сопротивления источника, Данный генера тор подвержен негативному влиянию конечных значений сопротивления инвертирующего входа ОУ относительно общей шины и сопротивления нагрузки.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является re45 нератор треугольного напряжения, содержащий инвертирующий интегратор, состоящий из ОУ, конденсатора и резистора, причем конденсатор включен между выходом ОУ, явля ющимся выходом

50 интегратора и генератора, и точкой соединения его инвертирующего входа с одним выводом регистра, другой вывод которого является входом интегратора, и компаратор, вход которого соединен с выходом и выход — с входом интегратора. Данный генератор имеет два состояния квазиравновесия. Они характеризуются равными по абсолютной величине и противоположными по знаку напряжениями на выходе компаратора. С переходом генератора в очередное. 2003221 такое состояние начинается перезаряд конденсатора в интеграторе до напряжения, равного по абсолютной величине и обратного по знаку его предыдущему значению. Напряжение на выходе ОУ, являющееся выходным напряжением интегратора и генератора. практически равно треугольному напряжению на конденсаторе. При определенном уровне этого напряжения выходное напряжение компарвтора изменяется скачком, и начинается следующий полупериод.

Изменением уровня срабатывания компаратора меняет амплитуду, а регулировкой сопротивления резистора в интеграторе— частоту треугольного напряжения. Разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим, соединенным в общей шиной генератора, входами ОУ, в силу его большого усиления по напряжению, мала.

Поэтому мала разница между выходным напряжение компаратора и падением напряжения на резисторе, и стабильность тока, перезаряжающего конденсатор, выше, чем в устройстве. Кроме того, токи обоих направлений протекают через одни и те же элементы, поэтому степень совпадения их величин также выше. Значительно меньше и негативное влияние конечных значений сопротивлений инвертирующего входа ОУ и нагрузки, поскольку ни одно из них не шунтирует конденсатор. В результате линейность и симметричность выходного треугольного напряжения у данного генератора значительно лучше, чем у генератора.

Тем не менее, генератор не может использоваться при высоких требованиях к укаэанным характеристикам. Единственная возможность их улучшения состоит в увеличении коэффициента усиления по напряжению ОУ. Для иллюстрации этого рассмотрим реакцию интегратора на скачок входного напряжения, равный Е, которая согласно (4) имеет вид

Ut= — (1—

Ет t

CR 2ACR

) (1) где U> — напряжение на выходе интегратора

t — время, отсчитываемое от момента скачка Е;

С вЂ” емкость конденсатора;

R — сопротивление резистора;

А — коэффициент усиления ОУ по напряжению без обратной связи, Уравнение (1) соответствует случаю, когда при t = 0 конденсатор не заряжен; знак минус перед его правой частью для простоты опущен. Из него следует, что отличие Ui(t) от идеальной зависимости.

Uviol = (2) 5

10 15

55 изображаемой графически прямой линией, связано с наличием второго слагаемого в скобках в его правой части, и оно тем меньше при прочих равных условиях, чем больше

А. Но увеличение А за счет каскадного включения двух и более ОУ снижает увеличения его петлевого усиления.

Целью изобретения является повышение линейности и симметричности выходного напряжения генератора путем увеличения стабильности тока, переэаряжающего конденсатора, без снижения устойчивости интегратора.

Для достижения укаэанной цели в генераторе треугольного напряжения, содержащем инвертирующий интегратор, состоящий из операционного усилителя, конденсатора и резистора. причем конденсатор включен между выходом операционного усилителя, являющимся выходом интегратора и генератора, и одним выводом резистора, и компаратор, вход которого соединен с выходом и выход — с входом интегратора, в интегратор введены повторитель и неинвертирующий двухвходовый сумматор, причем вход повторителя подключен к точке упомянутого соединения конденсатора с резистором и выход — к входу операционного усилителя, первый вход сумматора является входом интегратора, второй вход сумматора соединен с выходом повторителя, а выход — с другим выводом резистора.

Введение в генератор повторителя и сумматора, соединенных между собою и с другими узлами и элементами описанным образом, позволяет дополнительно уменьшить различие между выходным напряжением компаратора и падением напряжения на резисторе и. таким образом. снизить влияние конечного значения усиления ОУ на величину тока, перезаряжающего конденсатор, При этом стабильность указанного тока и обусловленные ею линейность и симметричность треугольного напряжения значительно возрастают, В то же время, s силу равенства единице коэффициента передачи повторителя, не происходит увеличения петлевого усиления по цепи "повторитель— усилитель — конденсатор" и снижения устойчивости интегратора.

При проведении поиска не обнаружено технических решений, содержащих ту же совокупность отличительных признаков, что и заявляемое решение. Вновь введенные узлы проявляют со своими связями в составе генератора новые свойства. Соединение

"повторитель — усилитель" с общей параллельной отрицательной обратной связью flo напряжению обеспечивает описанное увеличение стабильности тока, протекающего

2003221 через конденсатор. Сумматор создает возможность для питания всех узлов генератора от общего источника напряжения. Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями, На фиг. 1 и 2 приведены функциональные схемы соответственно известного и предлагаемого генераторов треугольного напряжения; на фиг. 3 — временные диаграммы, поясняющие их работу, На фиг. 1, 2 обозначены: 1 — инвертирующий интегратор; 2 — операционный усилитель; 3 — конденсатор; 4 — резистор; 5— компаратор; 6 и 7 — вход и выход компараторэ 5. На фиг. 2, кроме того. отмечены: 8— повторитель; 9 — неинвертирующий двухвходовый сумматор; Š— скачок напряжения на входе интегратора 1; U, U/A2 и U/A1A2— напряжения на выходе интегратора 1, входе

ОУ2 и дифференциальном входе ОУ повторИтЕЛя 8, ПрИчЕМ А1И А2 — КОЭффИцИЕНтЫ усиления по напряжению без обратной связи второго и первого из названных ОУ; I— ток, протекающий через конденсатор 3 и резистор 4. Для напряжений и тока стрелками указаны принятые направления. На фиг.

3 обозначены зависимости от времени: 1— напряжения на выходе компаратора 5; 2— идеального треугольного напряжения; 3 и 4 — выходных напряжений соответственно известного и предлагаемого генераторов, Предлагаемый генератор содержит инвертирующий интегратор 1, состоящий из

ОУ2, конденсатора 3, резистора 4, повторителя 8 и сумматора 9, и компаратор 5. Вход

6 и выход 7 компаратора 5 соединены соответственно с выходом, которым является выход ОУ2, и входом интегратора 1. Вход повторителя 8 подключен к точке соединения конденсатора 3 с одним выводом резистора 4 и выход — к входу ОУ2, Один вход сумматора 9, являющийся входом интегра тора, с6единен, как указано, с выходом компаратора 5, другой вход — с выходом повторителя 8, а выход — с другим выводом резистора 4, Генератор работает в общих чертах аналогично устройству-прототипу. Но, благодаря новым узлам — повторителю 8 и сумматору 9, связанным с остальными узлами и элементами описанным образом, линейность выходного напряжения интегратора и обусловленные ею линейность и симметричность выходного треугольного напряжения значительно выше, чем в прототипе.

Для лучшего уяснения этого обстоятельства найдем выражение, описывающее реакцию интегратора, использованного в заявляемом генераторе. »а скачок его вхолного напряжения, С этой целью составим уравнения по второму закону Кирхгофа, руководствуясь схемой на фиг. 2 и полагая, что коэффициенты передачи сумматора 9 по

5 обоим входам равны единице. Получим;

0 U U

А2 А1 А2 Аг

10 + — + = — l Ыт.

U U

А2 А1 Аг С 0

Здесь, как и в случае известного генератора

R и С вЂ” сопротивление резистора 4 и емкость конденсатора 3, а напряжение на конденса15 торе при t = 0 равно нулю. Для решения этой системы уравнений воспользуемся операторным методом с преобразованием по Карсону-Хевисайду, предварительно взаимно сократив в первом уравнении слагаемые

U/A1 и -О/Аг. С учетом того, что изображениями постоянных величин. являются сами эти величины, а изображениями функций U, 1

I u f 1dt — выражения Up; l(p) и!(р)/р, где р

25 — комплексный оператор, полученные уравнения преобразуются к виду

E — Р= 1(p)R

30 А1 А2 у (р }. „ц(р }.

А2 А1А2 р С

Найдем из второго уравнения значение

35 (р) = р} }(р)С(1 + — + )

1 и подставим его в первое

40 U p

Š— = pU(p)CR(1 + — + ).

1 1

А1 Аг А2 А1 А2

После перенесения слагаемого Е в правую часть, а всех слагаемых, содержащих U(p), в левую, вынесения U(p) в общий множитель

45 и приведенных обеих частей уравнения к общему знаменателю А1Аг получается

Щр)(1 + pCR(1 + Аг + A1A2)) = А1Аг Е, или после учета, что реально А»> 1 и Аг» 1 (как и Ау ОУ2 s схеме на фиг. 1), 50 U(p)(1 + pA1A2CR) = А1А2Е.

Откуда

А1А2 Е

1+pA1A2CR

55 Оригиналом для изображения 1/(1+ ра) является функция 1 — ехр(-t/à), поэтому временная зависимость U имеет вид

U = А1Аг Е(1 - ехр(- — — — — )).

A1А2 С R

2003221

10

Поскольку t «A1A2CR, экспоненциальную функцию в правой части полученного уравнения можно представить трехчленным степенным рядом;

=1

Al А2 С 8 А1А2 С К

1 с 2

2(A)A2CR

С учетом этого с 1 t 2

"-AIA2Ef1 л21222 2 2 (It A2 C R 2 или после взаимного уничтожения в квадратных скобках 1 и -1, вынесения в общий множитель с/А1А2СВ и сокращения его числителя и знаменателя íà AtAg

Ес

CR (1 2A1A2CR ) (3)

Из сопоставления уравнений (1) и (3) видно, что при А = А второе слагаемое в скобках в правой части у последнего в А1 раз меньше, чем у первого. Современные ОУ легко обеспечивают Ас > 10 +10 . Поэтому

4 5 при прочих равных условиях уравнение (3) значительно меньше отличается от вида (2), чем уравнение (1), т.е. U(t) значительно линейнее, чем «(t)

В соответствии с изложенным участки нарастания и спада выходного треугольного напряжения у заявляемого генератора существенно линейнее, чем у известного. Это приблизительно отражено в характере кривых 4 и 3 на фиг. 3. где первая проходит заметно ближе к зависимости 2, изображающей идеальное треугольное напряжение и описываемой между изломами уравнением (2). Благодаря этому, у кривой 4 намного меньше, чем у кривой 3, различаются ординаты точек, отстоящих на одинаковые расстояния по временной оси в обе стороны от точек излома, т.е. кривая 4 имеет и большую симметричность.

Улучшение показателей предлагаемого генератора достигнуто без снижения устойчивости интегратора, Действительно, коэффициент передачи по напряжению у повторителя 8 (см. фиг. 2) практически равен единице, и величина петлевого усиления, как и в известном генераторе, определяется произведением коэффициента усиления

ОУ2 на коэффициент передачи делителя. образованного конденсатором 3 и резистором

Благодаря сумматора 9, напряжение на дифференциальном входе ОУ повторителя 8 равно входному напряжению интегратора 1 — выходному напряжению компаратора 5, приложенному между первым, верхним по схеме на фиг. 2, входом сумматора и общей

50 шиной генератора. За счет этого и обеспечивается указанная выше воз ложность питания всех узлов генератора от общего источника напряжения. В отсутствие сумматора 9 для питания компаратора 5 потребовался бы отдельный источник, причем среднюю точку этого источника и общую шину компаратора пришлось бы изолировать от общей шины генератора, Таким образом, выполнение генератора треугольного напряжения в соответствии с заявляемым решением позволяет увеличить линейность и симметричность его выходного напряжения. Одновременно у него сохраняется возможность питания всех узлов, как и в генераторах. от общего источника напряжения.

Реализация предлагаемого генератора в целом не сложна. Часть элементов и узлов, а именно конденсатор 3. резистор 4 и компаратор 5 могут быть такими же, как и в устройстве. Конкретный тип компаратора значения не имеет; он должен формировать на входе интегратора 1 прямоугольное напряжение с равными по амплитуде и продолжительности положительными и отрицательными участками. Повторитель 8 может быть выполнен на ОУ, подобном ОУ2 в схеме фиг. 1, т.е. имеющем достаточно большие сопротивления входов относительно его общей шины и дифференциального входа и малый уровень собственных помех.

К ОУ2 в схеме фиг. 2 такие повышенные требования не предъявляются. Не предъявляется особых требований и к ОУ для сумматора 9: конкретный тип этого узла непринципиален. Для регулировки амплитуды и частоты выходного напряжения можно использовать те же средства, что и в генераторе.

Предлагаемый генератор несколько сложнее прототипа, но он позволяет получить значительно более линейное и симметричное треугольное напряжение. При его использовании. например, в роли генератора развертывающего напряжения для сканирования потенциала электрического зонда можно существенно увеличить точность снятия вольтамперных характеристик зонда в плазме и их исследования на гистерезис и. таким образом, повысить качество диагностики плазмы при лаборабораторных космических экспериментах. Степень улучшения (до 4+5 порядков величины и более) рассматриваемых параметров треугольного напряжения, которая следует из проведенного выше сопоставления уравнений (1) и (3), позволяет сделать вывод, что заявляемое решение способно при надлежащем качестве конденсатора и резистора

2003221

12 ной связью по напряжению, обладает пониженной чувствительностью к негативному влиянию уменьшения сопротивления на дифференциальном входе ОУ повторителя.

5 Это дает возможность использовать в провторителе 9 (фиг. 2) ОУ с менее высокоомным входом, чем у ОУ 2 (фиг. 1). (56) Авторское свидетельство СССР

10 N 1302422, кл, Н 03 К 4/08, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1387179, кл. Н 03 К 4/06, 1988.

Алексенко А,Г., Коломбет Е.А„Стародуб

Г.И. Применение прецизионных аналоговых

15 ИС. — M.: Советское радио, 1980, с. 142-143 (прототип).

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ТРЕУГОЛЬНОГО НАПРЯ- 20

ЖЕНИЯ, содержащий инвертирующий интегратор, состоящий из операционного усилителя, конденсатора и резистора, причем конденсатор включен между выходом операционного усилителя, соединенного с 2-> выходами инвертирующего интегратора и генератора, и первым выводом резистора, и компаратор, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом инвертирующего интегратора, 30 удовлетворить самым жестком современным требованиям, в том числе и на инфранизких частотах. Предлагаемый генератор имеет и два других преимущества перед прототипом, Во-первых, коэффициент передачи сумматора по первому входу, соединенному с выходом компэратора, легко сделать больше единицы (сохранив соответствующую характеристику второго входа равной единице), Это позволяет при прочих равных условиях уменьшить требуемую амплитуду выходного напряжения компаратора и, тем самым, в частности, упростить ее стабилизацию. Ро-вторых, каскадное включение повторителя и усилителя, охваченных общей параллельной отрицательной обратотличающийся тем, что, с целью повышеHoLA линейности и симметричности выходного напряжения, в инвертирующий интегратор введены повторитель напряжения и неинвертирующий сумматор, первый вход которого соединен с входом инвертирующего интегратора, BmpoA вход - с входом операционного усилителя и выходом повторителя напряжения, вход которого соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с выходом неинвертирующего сумматора..2003221

Составитель В.Чкалов

Техред М, Моргентал

Корректор Н. Шмакова

Редактор В,Трубченко

Заказ 3237

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101