CN2924606Y - 自动补偿交替式积分器 - Google Patents

Abstract

自动补偿交替式积分器，以自动补偿低零漂积分器为积分单元，其特征是设置两路积分单元，包括积分单元A和积分单元B，所述两路积分单元的信号输入端ViA和ViB通过转换开关交替与积分信号输入端Vi接通，在所述两路积分单元的信号输出端，设置累加电路，由积分单元A和积分单元B分别输出的单元积分信号VoA和VoB输入在累加电路中，并经累加电路的累加运算输出积分电压Vo。本实用新型不受积分时间限制，能长时间有效工作。

Description

自动补偿交替式积分器

技术领域：

本实用新型涉及积分器，更具体地说是积分时间达到100s以上的长时间积分器。

背景技术：

长时间积分器主要应用于一些装置的电磁测量中。例如托卡马克放电实验过程中，许多电磁测量诊断信号的输出均为该信号的微分量，要想还原该信号，需要使用积分器。随着托卡马克核聚变研究的不断发展，等离子体的放电时间越来越长，因此积分时间也要求越来越长，中科院等离子体物理研究所刚建成的EAST的放电时间将达到千秒量级。但是，由于漂移的存在，一般的模拟积分器能有效工作几十秒。更高级的有数字积分器，通过AD或VF的方法将模拟量转换为数字量，再经过相应的算法处理完成积分运算，最后通过DA或FV将结果转换成模拟量。数字积分器的精度主要取决于AD或VF的分辨率，分辨率越高，精度越高，因此数字积分器一般要选择较高分辨率的AD或VF，从而导致其价格昂贵。

积分漂移主要是由失调电压V_IO、失调电流I_IO引起的，那么在输入端对失调进行补偿，可有效的抑制积分漂移。为此，本实用新型人在此之前提出了一种“自动补偿低零漂积分器”的实用新型专利申请，如图1所示，该模拟式积分器采用反馈式补偿的方法，由一个基本积分器和采样保持电路构成的反馈网络组成，利用采样保持电路记录下零漂，再在积分的时候对输入端进行补偿，从而抵消零漂。

具体方案如图1所示：由基本积分器和采样保持电路构成的反馈网络组成；其中包括：构成积分器的运算放大器IC1的反向输入端电阻R通过选择开关K1或接入输入电压ViA，或接地；在运算放大器IC1的反向输入端与输出端之间有四条并联支路，一条由开关K4构成、一条由积分电容C和开关K3串联构成、一条由电阻Rf和与其串联的开关K2构成，再一条是由电阻Rf和开关K5以及采样保持电路构成，其中采样保持电路位于运算放大器的输出端一侧；运算放大器的正向输出端通过正向输入端电阻R接地。

该“自动补偿低零漂积分器”的控制方法是按时序分为如下两个阶段：

第一：准备阶段，按以下步骤扣除零漂和清零积分电容：

a、测量零漂：

K1接地，K2闭合，开关K3、K4、K5打开，构成放大器，以所述采样保持电路记录该放大器输出的零漂放大信号；

b、补偿零漂：

K1接地，K2、K5闭合，K3、K4打开，采样保持电路将其保存的零漂值负反馈至运算放大器IC1的反向输入端，补偿零漂；

c、积分电容清零：

K1接地，K3、K4、K5均闭合，K2打开，在积分开始前，清除积分电容上的电荷；

第二：积分阶段

在经过准备阶段之后，K3、K5闭合，K1接输入信号ViA，K2、K4打开，构成时间常数为RC的积分器，开始积分。

该方案中，与开关K1相连的反向输入端电阻R、运算放大器IC1和电容C构成了基本积分电路，积分时间常数为RC。与开关K2相连的电阻Rf用于测量零漂，采样保持电路用于采样并保持住零漂，并通过K5和Rf补偿到运算放大器IC1的‘-’端，采样保持电路可以直接用采样保持器实现。

经验证，该方案能够有效克服零漂，并在100s的时间内有效工作。但是，运算放大器、电阻等器件本身都存在温漂，积分电容有介质损耗和泄漏电阻，随着时间的推移，漂移将越来越大。因此单靠一个积分器无法完成更长时间积分。

发明内容：

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种不受积分时间限制，能长时间有效工作的自动补偿交替式积分器。

本实用新型解决技术问题所用的技术方案是：

本实用新型采用自动补偿低零漂积分器为积分单元，其结构特点是设置两路积分单元，包括积分单元A和积分单元B，所述两路积分单元的单元信号输入端ViA和ViB通过转换开关交替与积分信号输入端Vi接通，在所述两路积分单元的信号输出端，设置累加电路，由积分单元A和积分单元B分别输出的单元积分信号VoA和VoB输入在累加电路中，并经累加电路的累加运算输出积分电压Vo。

本实用新型自动补偿交替式积分器的控制方法是：

设定工作周期，在一个工作周期内，半周期为准备阶段，另一半周期为积分阶段，在转换开关的转换下，积分单元A和积分单元B按序完成如下交替工作：

第一工作周期的前半段，积分单元A处于积分阶段，其信号输入端ViA通过转换开关与积分信号输入端Vi相连接，并输出单元积分信号VoA1；这一阶段中，积分单元B处在准备阶段；

第一工作周期的后半段，积分单元A转而进入准备阶段，同时，积分单元B转而进入积分阶段，并输出单元积分信号VoB1；

第二工作周期的前半段，积分单元A进入积分阶段，输出单元积分信号VoA2，积分单元B进入准备阶段；

第二工作周期的后半段，积分单元A进入准备阶段，积分单元B进入积分阶段，输出单元积分信号VoB2；

上述过程循环进行；所获得的积分信号VoA1、VoB1、VoA2、VoB2...在累加电路中完成信号的累加，获得输入信号Vi在设定时间内的积分信号Vo。

本实用新型采用自动补偿低零漂积分器，可以很好地减小输入失调V_I′引起的积分漂移，而电容和温漂的影响在本实用新型中通过缩短工作周期T即得到有效控制。单个的自动补偿零漂积分器，也就是积分单元在短时间内几乎是没有漂移的，取一个较短的时间，如20s，作为工作周期T，两个积分单元在准备阶段和积分阶段中交替工作，再在后续累加电路中对两个积分单元的输出积分信号进行累加，即可得到不受时间限制的积分信号。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型中单个积分单元具有自动补偿零漂的功能，有效地解决了运算放大器的失调电压V_IO和失调电流I_IO等的影响，在短时间内能有效地抑制漂移。

2、本实用新型采用交替式工作，实现两个积分单元交替工作，有效地解决了温漂和电容的影响，能够应用于长时间积分。

3、本实用新型可以利用数字信号控制积分单元的各个状态，以模数结合的形式完成两个积分单元的交替工作和累加电路的功能。

4、本实用新型整个系统可以采用一般元器件完成，价格低廉，具有广泛的实用性。

附图说明：

图1为本实用新型自动补偿低零漂积分器电路原理图。

图2为本实用新型交替式积分器电路原理图。

图3为本实用新型交替式积分器控制时序图。

图4为本实用新型累加电路原理图。

图5为本实用新型加法器电路原理图。

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步描术这：

具体实施方式：

参见图1，本实施例中，采用图1所示的自动补偿低零漂积分器为积分单元，该积分单元工作过程中的准备阶段和积分阶段在背景技术中已有具体说明。

参见图2，本实施例中，设置两路积分单元，包括积分单元A和积分单元B，两路积分单元的单元信号输入端ViA和ViB通过转换开关交替与积分信号输入端Vi接通，在两路积分单元的信号输出端，设置累加电路，由积分单元A和积分单元B分别输出的单元积分信号VoA和VoB输入在累加电路中，并经累加电路的累加运算输出积分电压Vo。

参见图3，本实施例自动补偿交替式积分器的控制方法是：

设定工作周期，在一个工作周期内，半周期为准备阶段，另一半周期为积分阶段，在转换开关的转换下，积分单元A和积分单元B按序完成如下交替工作：

第一工作周期的前半段，积分单元A处于积分阶段，其单元信号输入端ViA通过转换开关与积分信号输入端Vi相连接，并输出单元积分信号VoA1；这一阶段中，积分单元B处在准备阶段；

第一工作周期的后半段，积分单元A转而进入准备阶段，同时，积分单元B转而进入积分阶段，并输出单元积分信号VoB1；

第二工作周期的前半段，积分单元A进入积分阶段，并输出单元积分信号VoA2，积分单元B进入准备阶段；

第二工作周期的后半段，积分单元A进入准备阶段，积分单元B进入积分阶段，并输出单元积分信号VoB2；

上述过程循环进行；所获得的单元积分信号VoA1、VoB1、VoA2、VoB2...在累加电路中完成信号的累加，获得输入信号Vi在设定时间内的积分信号Vo。

由图3看出，积分路线是沿着箭头方向走的，当积分单元A处在积分阶段的时候，积分单元B处在准备阶段；当到达交替时间后，积分单元B开始积分，而积分单元A则进入准备阶段。设积分单元的准备时间为t_p，积分时间为t_I，取t_p＝t_I＝τ，τ为交替时间，即工作周期。

本实施例中，两路积分单元的输出是每个时间段的积分值，需要通过累加电路将两路积分单元的输出值不断地进行累加，以此得到完整的积分信号。

参见图4、图5，累加电路采用正向加法器，在所述正向加法器的输入端，一路通过转换开关S1在积分单元A和积分单元B的单元积分信号输出端之间转换，另一路通过转换开关S2在采样保持电路1和采样保持电路2的输出端之间转换，采用保持电路1和采用保持电路2的采样信号为加法器输出信号Vo。

如图4所示的累加电路是通过如图5所示的正向加法器完成两个单元积分信号的加法运算，采样保持器用来保存上一次交替前的累加值。

图5为图4所示加法器的具体实现方式，通过运算放大器IC和电阻Ra构成正向加法器，完成两个信号的加法运算。

按照本实施例的实施方式，累加电路按如下过程完成累加工作：

1、开关S1接积分单元A输出的单元积分信号Vo_A，开关S2接采样保持器1的输出V1，此时采样保持器1处于保持状态，所保存的是上一次交替前的累加值V1，通过加法器实现本段时间的累加，与此同时，采样保持器2处于采样状态，采样累加电路当前累加输出值Vo，为下次交替做准备；

2、当交替时间到，开关S1接积分单元B输出Vo_B，开关S2接采样保持器2的输出V2，通过加法器完成本段时间的累加，并且采样保持器1不断地采样当前输出值Vo。

3、通过这样不断地交替累加运算，得到整个积分值。

设开始积分后积分单元A先开始积分，到交替时间时， $V_{A1}=-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt},$ 交替时间到，积分单元B开始积分，到交替时间时， $V_{B1}=-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_{\mathrm{\τ}}^{2\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt},$

积分开始前，输出清零。第一次交替时，累加值为V_A1；第二次交替时，累加值为(V_A1+V_B2)；第三次交替时，累加值为((V_A1+V_B2)+V_A2)；······，那么

$V_o=(((\left(V_{A1}\right)+V_{B2})+V_{A2})+V_{B2})+...=V_{A1}+V_{B2}+V_{A2}+V_{B2}+...$

$=-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_{\mathrm{\τ}}^{2\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_{2\mathrm{\τ}}^{3\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_{3\mathrm{\τ}}^{4\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}+...$

$=-\frac{1}{\mathrm{RC}}({\∫}_0^{\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{\mathrm{\τ}}^{2\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{2\mathrm{\τ}}^{3\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{3\mathrm{\τ}}^{4\mathrm{\τ}}f\left(x\right)\mathrm{dt}+...)$ 其中，

$=-\frac{1}{\mathrm{RC}}{\∫}_0^{T}f\left(x\right)\mathrm{dt}$

RC为积分时间常数，T为总的积分时间，f(x)为被积分信号。

交替时间τ值越小，单个积分单元的漂移越小。但系统是交替工作，交替本身存在误差，同时，两个积分单元后面的累加电路对整个积分过程也有影响，因此，综合考虑到这些方面的因素选择合适的交替时间。

Claims (1)

1、自动补偿交替式积分器，以自动补偿低零漂积分器为积分单元，其特征是设置两路积分单元，包括积分单元A和积分单元B，所述两路积分单元的信号输入端ViA和ViB通过转换开关交替与积分信号输入端Vi接通，在所述两路积分单元的信号输出端，设置累加电路，由积分单元A和积分单元B分别输出的单元积分信号VoA和VoB输入在累加电路中，并经累加电路的累加运算输出积分电压Vo。

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