Аналоговый интегратор напряжения

Авторы патента:

G06G7/18 - для интегрирования или дифференцирования (G06G 7/19 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2571614:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) (RU)

Изобретение относится к электронной измерительной технике и аналитическому приборостроению. Технический результат - повышение точности интегрирования входного напряжения за счет максимально возможного устранения перерывов в интегрировании напряжения входного источника. Аналоговый интегратор напряжения содержит источники входного и эталонного напряжений, два ключа, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр, блок управления, дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электронной измерительной технике и аналитическому приборостроению. Оно может использоваться для интегрирования медленно изменяющихся сигналов, в частности - при определении основного вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале.

Известен электронный интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, соединенные последовательно и встречно, ключ, конструктивно выполненный в виде переключателя, включающего источник эталонного напряжения, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления переключателем, причем одноименные выходные клеммы обоих источников через нормально замкнутые контакты переключателя подключены к входу интегрирующего усилителя, а другая выходная клемма источника эталонного напряжения соединена с нормально разомкнутым контактом переключателя (Авторское свидетельство СССР №374618, кл. G06G 7/18. Бюл. №15, 1973).

В этом интеграторе напряжение входного источника интегрируется циклами - сначала только сигнал входного источника напряжения, затем после включения источника эталонного напряжения интегрируется алгебраическая сумма сигналов источников входного и эталонного напряжений. Включение и выключение источника эталонного напряжения осуществляется переключателем по командам блока управления, функционирующего как двухпороговый компаратор. Величина интеграла оценивается по общей продолжительности включения источника эталонного напряжения, измеряемой суммирующим хронометром.

Недостатком интегратора является погрешность интегрирования, вызванная перерывами в подключении напряжения входного источника к входу интегрирующего усилителя. Эти перерывы обусловлены конечным временем срабатывания переключателя (временем «пролета» переключающего контакта).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототип) является электронный интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, соединенные последовательно и встречно, ключ, конструктивно выполненный в виде переключателя, включающего источник эталонного напряжения, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, причем одноименные выходные клеммы обоих источников через нормально замкнутые контакты переключателя подключены к входу интегрирующего усилителя, а другая выходная клемма источника эталонного напряжения соединена с нормально разомкнутым контактом переключателя. Интегратор содержит также последовательно соединенные «запоминающий» конденсатор и импульсный трансформатор, включенные между источником входного напряжения и входом интегрирующего усилителя, причем вторичная обмотка трансформатора соединена с управляющим входом хронометра (Авторское свидетельство СССР №538373, кл. G06G 7/18. Бюл. №18, 1992).

При работе данного интегратора напряжение входного источника (также, как и у известного интегратора) интегрируется циклами - сначала только сигнал входного источника напряжения, затем ключ (переключатель) включает источник эталонного напряжения и интегрируется алгебраическая сумма сигналов источников входного и эталонного напряжений. Включение и выключение источника эталонного напряжения осуществляются по командам блока управления. Функции блока управления в данном интеграторе выполняются электромагнитным реле, подключенным к выходу интегрирующего усилителя. Контакты этого реле работают как ключ (переключатель) источника эталонного напряжения, а катушка привода реле выполняет функции двухпорогового компаратора вследствие разности величин токов срабатывания и отпускания реле. Величина интеграла оценивается по суммарной продолжительности включения источника эталонного напряжения, измеряемой суммирующим хронометром.

Недостатком данного интегратора (также, как и известного аналогового интегратора) является погрешность интегрирования, вызванная перерывами в подключении напряжения входного источника к входу интегрирующего усилителя. Погрешность обусловлена конечным временем срабатывания переключателя (временем «пролета» переключающего контакта). Наличие в данном интеграторе «запоминающего» конденсатора, включенного между источником входного напряжения и входом интегрирующего усилителя, несколько уменьшает величину этой погрешности, но не устраняет ее полностью.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности интегрирования входного напряжения за счет максимально возможного устранения перерывов в интегрировании напряжения входного источника.

Поставленная задача решается тем, что в аналоговый интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, включенные последовательно и встречно, основной ключ, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, введены дополнительный ключ и дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей, один из выводов основного ключа соединен с полюсом источника эталонного напряжения, соединенным с входом интегрирующего усилителя, а другой соединен с источником входного напряжения, одноименные же полюса источников входного и эталонного напряжений соединены через дополнительный ключ. Дифференцирующая RC-цепь подключена к входу интегрирующего усилителя, а ее выход соединен с управляющим входом суммирующего хронометра, при этом выход интегрирующего усилителя подключен к входу блока управления, выходы которого соединены с основным и вспомогательным ключами.

При изготовлении интегратора основной и дополнительный ключи могут быть выполнены в виде быстродействующих интегральных ключей на базе комплементарных МОП-транзисторов. Блок управления, выходные сигналы которого управляют работой основного и вспомогательного ключей, может быть построен на основе двухпорогового компаратора с применением триггера Шмитта или же на основе регенераторного компаратора.

На фиг. 1 изображена блок-схема предложенного аналогового интегратора напряжения. Для упрощения чертежа источники питания не показаны. Информационно-командные связи выделены утолщенными линиями.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов в отдельных узлах интегратора:

а) входное напряжение;

б) напряжение на входе интегрирующего усилителя;

в) напряжение на выходе интегрирующего усилителя;

г) импульсы на выходе дифференцирующей RC-цепи;

д) импульсы включения суммирующего хронометра;

е) последовательность работы основного ключа (пометки означают: «вкл» - контакты замкнуты, «выкл» - контакты разомкнуты);

ж) последовательность работы дополнительного ключа (пометки означают: «вкл» - контакты замкнуты, «выкл» - контакты разомкнуты).

В состав аналогового интегратора напряжения входят источники входного напряжения 1 и эталонного напряжения 2. Напряжение источника эталонного напряжения 2 превышает максимальную величину напряжения источника входного напряжения 1. Для определенности на чертеже показаны отрицательная полярность источника входного напряжения 1 и изменение (уменьшение) величины напряжения этого источника во времени.

Источники 1 и 2 включены последовательно и встречно, их одноименные полюса соединены через дополнительный ключ 3. Один вывод основного ключа 4 соединен с источником эталонного напряжения 2 и входом интегрирующего усилителя 5, другой вывод соединен с источником входного напряжения 1.

К входу интегрирующего усилителя 5 подключена дифференцирующая RC-цепь 6, состоящая из резистора 7 и конденсатора 8. Выход дифференцирующей RC-цепи 6 соединен с управляющим входом суммирующего хронометра 9. Выход интегрирующего усилителя 5 подключен к входу блока управления 10, выполненного в виде двухпорогового компаратора. Последний построен на основе триггера Шмита и управляет основным 4 и дополнительным 3 ключами.

Работа аналогового интегратора напряжения происходит следующим образом.

В начальный момент контакты дополнительного ключа 3 разомкнуты, контакты основного ключа 4 замкнуты (фиг. 1). Напряжение отрицательной полярности от источника входного напряжения 1 (фиг. 2-а) поступает на вход интегрирующего усилителя 5 через контакты основного ключа 4. На выходе интегрирующего усилителя 5 напряжение положительной полярности линейно увеличивается во времени (фиг. 2-в). Когда величина напряжения на выходе интегрирующего усилителя 5 достигает величины порога срабатывания компаратора блока управления 10, по командам последнего выдаются два сигнала управления: один размыкает контакты основного ключа 4 (фиг. 2-е), другой замыкает контакты дополнительного ключа 3 (фиг. 2-ж) и, тем самым, в цепь включается источник эталонного напряжения 2. В этот момент на вход интегрирующего усилителя 5 подается алгебраическая сумма напряжений источника входного напряжения 1 и источника эталонного напряжения 2 (фиг. 2-б), а с выхода дифференцирующей RC-цепи 6 на управляющий вход суммирующего хронометра 9 поступает первый (стартовый) импульс (фиг. 2-г), включающий суммирующий хронометр 9 (фиг. 2-д).

Далее выходное напряжение интегрирующего усилителя 5 начинает уменьшаться (фиг. 2-в). В тот момент, когда оно уменьшится до величины порога отпускания компаратора блока управления 10, по командам последнего замыкаются контакты основного ключа 4 (фиг. 2-е) и размыкаются контакты дополнительного ключа 3 (фиг. 2-ж). Источник эталонного напряжения 2 отключается, а с выхода дифференцирующей RC-цепи 6 на управляющий вход суммирующего хронометра 9 поступает второй импульс (фиг. 2-г), останавливающий суммирующий хронометр 9 (фиг. 2-д). Теперь на вход интегрирующего усилителя 5 через контакты основного ключа 4 поступает только напряжение источника входного напряжения 1 (фиг. 2-б). Далее все упомянутые процессы циклически повторяются (фиг. 2-в).

Из описания работы предложенного интегратора очевидно, что во время каждого цикла интегрирования, поскольку основной и дополнительный ключи работают одновременно и процесс переключения в цепях источников входного 1 и эталонного 2 напряжений отсутствует, не происходит перерывов в интегрировании входного напряжения (как это имеет место быть у прототипа).

Проверка параметров предложенного аналогового интегратора напряжения осуществлена методом компьютерного моделирования применительно к особенностям использования интеграторов в составе прецизионных установок, предназначенных для определения основного вещества методом кулонометрии при контролируемом потенциале. При проверке в качестве основного и дополнительного ключей использован сдвоенный интегральный ключ типа К590КН25 (производство РФ), содержащий комплементарные МОП-транзисторы. Ключ имеет две раздельно управляемые контактные пары с временем срабатывания 100 нс. Напряжение входного источника выбрано уменьшающимся во времени по экспоненциальному закону от 10 В до 10 мВ. Постоянная времени емкостной обратной связи интегрирующего усилителя выбрана равной 1 с. Напряжение источника эталонного напряжения составило 15,0 В (согласовано с параметрами ключей). Работа интегратора и ключей контролировалась цифровым осциллографом.

В результате проверки установлено, что использование двух ключей (основного и дополнительного) для включения источника эталонного напряжения вместо ключа-переключателя как у прототипа, обеспечило практически полное отсутствие перерывов в подаче напряжения входного источника на вход интегрирующего усилителя и, тем самым, отсутствие погрешности из-за потери части входного напряжения при интегрировании - по оценке величина потери части входного напряжения составляет менее 10^-7%.

Для сравнения точностных параметров предложенного интегратора напряжения с прототипом тем же методом компьютерного моделирования проведено исследование интегратора-прототипа. Прототип имел такие же основные характеристики, а в качестве ключа (переключателя) использовано быстродействующее электромагнитное реле с переключающими магнитоуправляемыми контактами (производство РФ, тип контактов - МКУ, время переключения 1 мс).

Оценка величины погрешности прототипа, связанной с конечным временем переключения электромагнитного реле, показала, что, несмотря на наличие в прототипе «запоминающего» конденсатора, указанная погрешность прототипа многократно превысила погрешность предложенного интегратора и составила не менее 3·10^-2%. Такая величина погрешности может заметно ограничивать область использования интегратора-прототипа в прецизионной кулонометрии с контролируемым потенциалом.

1. Аналоговый интегратор напряжения, содержащий источники входного и эталонного напряжений, включенные последовательно и встречно, основной ключ, интегрирующий усилитель, суммирующий хронометр и блок управления, отличающийся тем, что в интегратор введены дополнительный ключ и дифференцирующая RC-цепь, при этом основной и дополнительный ключи выполнены в виде выключателей, один из выводов основного ключа соединен с полюсом источника эталонного напряжения, соединенным с входом интегрирующего усилителя, а другой соединен с источником входного напряжения, одноименные полюса источников входного и эталонного напряжений соединены через дополнительный ключ, дифференцирующая RC-цепь подключена к входу интегрирующего усилителя, а ее выход соединен с управляющим входом суммирующего хронометра, выход интегрирующего усилителя подключен к входу блока управления, выходы которого соединены с основным и вспомогательным ключами.

2. Аналоговый интегратор напряжения по п. 1, отличающий тем, что основной и дополнительный ключи выполнены в виде интегральных ключей на базе комплементарных МОП-транзисторов.

3. Аналоговый интегратор напряжения по п. 1, отличающий тем, что блок управления ключами построен на основе двухпорогового компаратора с применением триггера Шмитта.

Изобретение относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначено для создания прецизионных интеграторов аналоговых сигналов для инерциальных приборов систем навигации и автоматического управления в ракетно-космических системах.

Способ и устройство двухтактного интегрирования с компенсацией погрешностей // 2523939

Группа изобретений относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначена для создания прецизионных интеграторов аналоговых сигналов инерциальных приборов систем навигации и автоматического управления в ракетно-космических системах.

Способ и устройство двухтактного интегрирования // 2521305

Группа изобретений относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначено для построения прецизионных аналоговых устройств управления в аэрокосмической технике, функциональных узлов аналоговых вычислительных машин, аналоговых процессоров.

Дифференцирующее устройство // 2479024

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения и автоматического регулирования. .

Функциональная структура процедуры логического дифференцирования d/dn позиционных аргументов [mj]f(2n) с учетом их знака m(±) для формирования позиционно-знаковой структуры ±[mj]f(+/-)min с минимизированным числом активных в ней аргументов (варианты) // 2428738

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств в позиционно-знаковых кодах. .

Способ преобразования позиционно-знаковых аргументов ±[nj]f(+/-) в структуру аргументов ±[nj]f(+/-)min с минимизированным числом активных аргументов и функциональная структура для его реализации (варианты русской логики) // 2417432

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств и выполнения арифметических операций суммирования и вычитания в позиционно-знаковых кодах.

Способ избирательного логического дифференцирования d*/dn позиционных аналоговых сигналов ±[mj]f(2n) с учетом их логического знака m(±) и функциональная структура для его реализации (варианты русской логики) // 2417431

Способ логического дифференцирования d/dn позиционных аналоговых сигналов ±[ni]f(2n) с учетом их логического знака n(±) (варианты русской логики) // 2417430

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств и выполнении арифметических операций суммирования и вычитания в позиционно-знаковых кодах.

Функциональная структура процедуры логического дифференцирования d/dn аналоговых сигналов ±[ni]f(2n) с учетом их логического знака n(±) (варианты) // 2413988

Оптическое дифференцирующее наноустройство // 2412481

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Аналоговый интегратор // 2571618

Изобретение относится к электронной измерительной технике и аналитическому приборостроению. Технический результат заключается в снижении нелинейности и повышении точности при интегрировании в широком диапазоне величин входных сигналов. Аналоговый интегратор содержит источники входного и эталонного напряжений, переключатель, основной интегрирующий усилитель, дополнительный интегрирующий усилитель, основной компаратор, суммирующий хронометр и блок управления, дополнительный компаратор и конденсатор, при этом первый и второй входы дополнительного компаратора подключены соответственно к выходу основного интегрирующего усилителя и к источнику входного напряжения, первый вход основного компаратора подключен к точке с нулевым потенциалом, выходы основного и дополнительного компараторов соединены с входами блока управления, выходы последнего соединены с переключателем и суммирующим хронометром, а конденсатор включен между второй выходной клеммой источника эталонного напряжения и входом основного интегрирующего усилителя. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Аналоговый интегратор // 2602374

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике и может быть использовано для интегрирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени. Технический результат - уменьшение погрешности интегрирования. Аналоговый интегратор содержит два резистора, операционный усилитель и конденсатор, введено четыре дополнительных элемента и изменено включение элементов, первый дополнительный резистор включен между выходом имеющегося операционного усилителя и неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, один из выводов второго дополнительного резистора подключен к общему выводу первого дополнительного резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя, другой вывод этого второго дополнительного резистора заземлен, дополнительный конденсатор включен параллельно первому дополнительному резистору, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя подключен к общему выводу имеющегося первого резистора, имеющегося конденсатора и инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя, свободный вывод имеющегося конденсатора соединен с выходом дополнительного операционного усилителя, также этот выход образует выход аналогового интегратора относительно «земли». 1 ил.

Аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов // 2602377

Изобретение относится к промышленной электронике, импульсной технике и может быть использовано для интегрирования последовательностей импульсных сигналов различной формы. Технический результат - уменьшение погрешности интегрирования при использовании последовательностей импульсных входных сигналов. Аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов содержит операционный усилитель, формирователь управляющих импульсов, блок источников постоянных напряжений, четыре управляемых электронных ключа, резисторы, конденсатор и инвертор. 1 ил.

Устройство для регистрации суммарного значения параметра // 2602673

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности работы устройства. Устройство для регистрации суммарного значения параметра содержит датчик параметра и усилитель, а также последовательно соединенные с выходом усилителя генератор управляемой частоты (ГУЧ) и преобразователь частоты в напряжение (ПЧН). Выход ПЧН подключен к выводам потенциометра, первый выход которого также соединен через входную цепь усилителя с первой выходной шиной датчика параметра, а движок потенциометра связан со второй выходной шиной датчика, выход ГУЧ при этом подключен к первому выходу устройства и к суммирующему счетчику импульсов. Технический эффект заключается в том, что применение следящей системы автоматического управления частотно-импульсного типа позволило исключить два следящих электродвигателя, редуктор и лекало по сравнению с прототипом, что существенно повысило быстродействие и надежность работы устройства для регистрации суммарного значения параметра. 1 ил.

Интегратор постоянного напряжения // 2602675

Изобретение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике. Технический результат - способность определять не только интегральное значение входного сигнала, но и скорость его изменения. Интегратор постоянного напряжения содержит генератор 1 импульсов, двоичный счетчик 2, цифроаналоговый преобразователь 3, компаратор 4, первый вход которого соединен с входом устройства, а выход компаратора 4 через последовательно соединенную схему И 5 и делитель частоты 6 связан с входом счетчика импульсов 7. Выход компаратора 4 через Т-триггер 8 соединен с входом управления режимом работы реверсивного счетчика импульсов 9. Счетный вход счетчика 9 связан с выходом делителя частоты 6 и входом счетчика 7. Выходы счетчика 9 при этом подключены к регистру памяти. Выход генератора 1 соединен со счетным входом счетчика 2 и вторым входом схемы И 5, первый вход которой связан с выходом компаратора 4. Изобретение позволяет, например, наряду с высокоточным измерением количества вещества в процессе интегрирования осуществлять высокоточное измерение скорости поступления этого вещества, что является важным в технологических процессах. 1 ил.

Измеритель площади электрического импульса // 2625632

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано для измерения площади одиночного электрического импульса с выдачей результатов в цифровой форме. Техническим результатом является повышение точности работы устройства за счет применения следящей системы частотно-импульсного типа для представления входной информации с последующим интегрированием непосредственно в цифровой форме. Измеритель площади электрического импульса содержит схему сравнения (СС) 1, выход которой соединен с входом генератора управляющей частоты (ГУЧ) 2. Выход (ГУЧ) 2 подключен через преобразователь частоты в напряжение (ПЧН) 3 к второму входу СС 1, первый вход которого связан с входом измерителя, при этом выход ГУЧ 2 через последовательно соединенный счетчик импульсов (СЧ) 4 связан с блоком 5 вывода информации. 1 ил.

Дифференциатор для обработки аналоговых сигналов (варианты) // 2628243

Группа изобретений относится к электронике и может быть использована для дифференцирования аналоговых сигналов в адаптивных линейных фильтрах-компенсаторах высокочастотных потерь в линиях высокоскоростной передачи данных, в измерительных устройствах систем емкостной томографии, нейроморфных зрительных сенсорах, в схемах высокочастотной фильтрации, в схемах быстрого вычисления прогнозируемого приращения входного сигнала в быстродействующих многоразрядных АЦП, использующих аналоговое предсказание. Техническим результатом является повышение линейности и быстродействия, а также точности устройства. В одном из вариантов устройство содержит дифференцирующий конденсатор, вспомогательный усилитель, имеющий коэффициент усиления больше 1, основной усилитель передачи сигнала, содержащий транзистор, включенный по схеме с общим затвором, источник тока, резистор нагрузки. 2 н.п. ф-лы, 14 ил.

Дифференциатор // 2644531

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Технический результат заключается в уменьшении погрешности дифференцирования от конечного значения коэффициента. Дифференциатор содержит операционный усилитель, конденсатор и резистор, один из выводов конденсатора образует вход дифференциатора относительно «земли», другой вывод его соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а неинвертирующий вход его заземлён, один из выводов резистора соединён с общим выводом конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя. В дифференциатор введён дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединён с общим выводом конденсатора, инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя и резистора, свободный вывод последнего подключен к выходу дополнительного операционного усилителя, этот выход также образует выход дифференциатора относительно «земли», неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя. 1 ил.

Аналоговый интегратор // 2646377

Изобретение относится к промышленной электронике. Технический результат направлен на уменьшение погрешности интегрирования. Аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, а также дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и измененное соединение элементов, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с общим выводом имеющегося первого резистора, инвертирующих входов имеющихся двух операционных усилителей и имеющегося первого конденсатора, выход дополнительного операционного усилителя образует выход относительно «земли» аналогового интегратора, с этим выходом соединён второй свободный вывод имеющегося первого конденсатора, между инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя и выходом имеющегося второго операционного усилителя включены параллельно соединённые дополнительный конденсатор и дополнительный первый резистор, второй дополнительный резистор включен между «землей» и общим выводом дополнительного конденсатора, дополнительного первого резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя. 1 ил.