RU2646377C1 - Аналоговый интегратор - Google Patents
Аналоговый интегратор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2646377C1 RU2646377C1 RU2017112314A RU2017112314A RU2646377C1 RU 2646377 C1 RU2646377 C1 RU 2646377C1 RU 2017112314 A RU2017112314 A RU 2017112314A RU 2017112314 A RU2017112314 A RU 2017112314A RU 2646377 C1 RU2646377 C1 RU 2646377C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additional
- output
- operational amplifier
- resistor
- capacitor
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 18
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D1/00—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
- G01D1/04—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving integrated values
- G01D1/06—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving integrated values by intermittent summation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06G—ANALOGUE COMPUTERS
- G06G7/00—Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
- G06G7/12—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
- G06G7/18—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for integration or differentiation; for forming integrals
- G06G7/184—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for integration or differentiation; for forming integrals using capacitive elements
- G06G7/186—Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for integration or differentiation; for forming integrals using capacitive elements using an operational amplifier comprising a capacitor or a resistor in the feedback loop
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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.
Description
Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Оно, в частности, может быть использовано для интегрирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени.
Известна схема интегратора (Опадчий Ю.Ф., Глудкин Ю.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая линия. – Телеком, 2003, с.306, рис. 8.12, а), содержащий операционный усилитель, резистор и конденсатор, неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён, один из выводов резистора соединён с его инвертирующим входом, а другой вывод образует вход схемы интегратора относительно «земли», конденсатор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и его выходом, этот выход также образует выход схемы интегратора относительно «земли» .
Недостатком его является ограниченная точность интегрирования. Идеального преобразования электрических сигналов в том числе идеального интегрирования, как правило, не бывает. Погрешность операции интегрирования ограничивает точность интегрирования. Эта погрешность зависит от эквивалентной постоянной времени интегрирования
где R и С – сопротивление и ёмкость интегратора, K – коэффициент усиления операционного усилителя (справочный параметр). В частности, при воздействии на вход интегратора чередующихся перепадов напряжения положительной и отрицательной полярности с плоскими вершинами между перепадами на выходе получается чередующиеся возрастания и убывания напряжений по закону близкому к линейному. Например, в интервале времени возрастания выходного напряжения коэффициент нелинейности определяется известным выражением
В данном случае этот коэффициент является относительной погрешностью интегрирования. Для обеспечения малой погрешности интегрирования (2) значение эквивалентной постоянной времени (1) следует выбирать большим во многом за счёт увеличения коэффициента усиления K операционного усилителя. Значение K является ограниченным и соответствует современным уровням схемотехники и технологии изготовления изделий микроэлектроники. Ограниченное значение K, ограничивает эквивалентную постоянную времени (1) и ограничивает повышение точности интегрирования. Имеется потребность в повышении точности интегрирования электрических сигналов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа аналоговый интегратор (Патент РФ № 2602374. Аналоговый интегратор / Г.И. Передельский, Бюл. 2016, № 32), содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлен, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, второй (свободный) вывод первого конденсатора соединён с выходом второго операционного усилителя и полученный общий вывод является выходом относительно «земли» аналогового интегратора.
Недостатком его является ограниченная точность интегрирования, определяющаяся погрешностью операции интегрирования.
В частности, при воздействии на вход интегратора чередующихся перепадов напряжения положительной и отрицательной полярности с плоскими вершинами относительная погрешность интегрирования определяется выражением
где – интервал времени между двумя соседними перепадами входного напряжения, и – сопротивление и емкость интегрирующей цепи, и - коэффициенты усиления первого и второго операционного усилителя и − коэффициент передачи делителя напряжения на двух последовательно соединённых резисторах. Для обеспечения малого значения относительной погрешности интегрирования следует обеспечить большое значение знаменателя в (3). Это во многом можно реализовать за счёт увеличения значения коэффициентов усиления и . Но реально коэффициент усиления операционных усилителей является ограниченным и имеет определённое, конкретное значение. В рамках ограниченных и определённых значений этих коэффициентов следует найти возможность для уменьшения погрешности интегрирования.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности интегрирования.
Это достигается тем, что в аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлён, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, введены дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и изменено 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.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Аналоговый интегратор содержит три операционных усилителя 1, 2 и 3. Инвертирующие входы их соединены вместе и образуют общий вывод инвертирующих входов операционных усилителей. К этому общему выводу подключен первый вывод резистора 4, второй вывод которого образует вход относительно «земли» аналогового интегратора. Выход третьего операционного усилителя 3 образует выход относительно «земли» аналогового интегратора. Неинвертирующие входы каждого операционного усилителя через резисторы 5, 6 и 7 соединены с «землёй». Между выходом первого операционного усилителя 1 и общим выводом резистора 6 и неинвертирующего входа второго операционного усилителя 2 включены параллельно соединенные конденсатор 8 и резистор 9. Также между выходом второго операционного усилителя 2 и общим выводом резистора 7 и неинвертирующего входа третьего операционного усилителя 3 включены параллельно соединённые конденсатор 10 и резистор 11. Между общим выводом инвертирующих входов всех трёх операционных усилителей и выходом третьего операционного усилителя 3 включен конденсатор 12.
В исходном состоянии входное напряжение аналогового интегратора равно нулю (), выходное напряжение его тоже равно нулю ().
Аналоговый интегратор работает следующим образом. При выборе операционных усилителей в схеме на фиг.1 с большим коэффициентом усиления получаем, что напряжение на их инвертирующих входах относительно «земли» имеет весьма малое значение (исчезающее малое значение, виртуальный нуль). Тогда сила электрического тока через резистор 4 определяется выражением
особенно при операционных усилителях с полевыми транзисторами на входах. Сила электрического тока () и напряжение () на ёмкости связаны между собой известной зависимостью
Напряжение на ёмкости с учётом ранее приводимого виртуального нуля является по сути выходным напряжением аналогового интегратора. Используя (4), (5) из (6), получаем
т.е. выходное напряжение аналогового интегратора пропорционально интегралу от его входного напряжения.
В частном случае при неизменяющемся входном напряжении выходное напряжение интегратора изменяется по почти линейному закону. Относительная погрешность в этом случае совпадает с коэффициентом нелинейности (2), где эквивалентная постоянная времени для схемы на фиг.1.
где, и – коэффициенты усиления соответственно операционных усилителей 1, 2 и 3, − коэффициент передачи делителя на сопротивлениях и резисторов 6, 9, − коэффициент передачи делителя на сопротивлениях и резисторов 7, 11
В аварийных режимах максимальное выходное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 1 может превысить допустимое входное напряжение операционного усилителя 2 (справочный параметр). Для устранения этого введена электрическая цепь (делитель напряжения) на резисторах 6 и 9. Коэффициент передачи его должен удовлетворять условию
Вместе с этим сумма сопротивлений и не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки () операционного усилителя 1 (справочный параметр)
Операционные усилители имеют входную паразитную ёмкость (). Эта ёмкость операционного усилителя 2 шунтирует резистор 6, поэтому конденсатор 8 введён для ослабления искажения передаваемого сигнала на высоких частотах. Для этого значение коэффициента передачи делителя на сопротивлениях и должно равняться значению коэффициента передачи делителя на ёмкостях и
Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе десяти вольт. Допустимое входное напряжение для них лежит в районе единиц вольт. Из (10) значение коэффициента передачи определяется не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно находится в районе значений 0,3÷0,7.
Приведённые последние положения для двух операционных усилителей 1 и 2 в полной мере соответствуют таким же положениям для двух операционных усилителей 2 и 3. Этим положениям соответствуют формулы:
которые аналогичны выражениям (10), (11) и (12).
В общем случае при заряде ёмкости от неизменяющегося напряжения зарядный ток убывает. В рассматриваемой схеме на фиг. 1 это убывание электрического тока существенно ослабляется имеющейся отрицательной обратной связью, которая замыкается через ёмкость . Это приводит к существенному уменьшению погрешности интегрирования. В случае неизменяющегося входного напряжения в интервале времени относительная погрешность интегрирования аналогового интегратора (фиг.1) с учётом (2) и (8) определяется выражением
Сопоставление формул (16) и (3) приводит к неравенству
Claims (1)
- Аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлён, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, отличающийся тем, что в него введены дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и изменено 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112314A RU2646377C1 (ru) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | Аналоговый интегратор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112314A RU2646377C1 (ru) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | Аналоговый интегратор |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2646377C1 true RU2646377C1 (ru) | 2018-03-02 |
Family
ID=61568465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017112314A RU2646377C1 (ru) | 2017-04-11 | 2017-04-11 | Аналоговый интегратор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2646377C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5148011A (en) * | 1989-10-03 | 1992-09-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Distance measuring apparatus using integration of reflected light and obtaining a plurality of distance signals |
US20020101251A1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-08-01 | Agilent Technologies, Inc. | Apparatus for and method of measuring capacitance with high accuracy |
US20050231189A1 (en) * | 2003-04-29 | 2005-10-20 | Leip David G | Measurement circuit with improved accuracy |
RU2602374C1 (ru) * | 2015-10-13 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ФГБОУВО ЮЗГУ) | Аналоговый интегратор |
-
2017
- 2017-04-11 RU RU2017112314A patent/RU2646377C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5148011A (en) * | 1989-10-03 | 1992-09-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Distance measuring apparatus using integration of reflected light and obtaining a plurality of distance signals |
US20020101251A1 (en) * | 2000-11-30 | 2002-08-01 | Agilent Technologies, Inc. | Apparatus for and method of measuring capacitance with high accuracy |
US20050231189A1 (en) * | 2003-04-29 | 2005-10-20 | Leip David G | Measurement circuit with improved accuracy |
RU2602374C1 (ru) * | 2015-10-13 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ФГБОУВО ЮЗГУ) | Аналоговый интегратор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPS60500395A (ja) | 同調可能なアクテイブ・フイルタ | |
KR20080021143A (ko) | 용량 대 전압 변환 방법 및 장치와, 이를 이용하는자동차용 시스템 | |
US6703887B2 (en) | Long time-constant integrator | |
KR100624365B1 (ko) | 축전지셀 단자전압 및 내부 임피던스 측정 회로 | |
RU2697945C1 (ru) | Активный rc-фильтр нижних частот третьего порядка на базе операционного усилителя с парафазным выходом | |
EP0415080A2 (en) | Device for converting unbalanced analog electric signals into fully-differential signals | |
RU2646377C1 (ru) | Аналоговый интегратор | |
RU2602374C1 (ru) | Аналоговый интегратор | |
US10135393B2 (en) | Signal detector including a set of resistors and a collection unit for generating a detection signal | |
RU2604879C1 (ru) | Неинвертирующий повторитель напряжения | |
WO2010059281A1 (en) | Logarithmic compression systems and methods for hearing amplification | |
RU2674927C1 (ru) | Неинвертирующий повторитель напряжения | |
US11139788B2 (en) | Measuring current generation circuit | |
RU2602368C1 (ru) | Управляемый коммутатор элементов электрической цепи | |
US20140125407A1 (en) | Bandwidth limiting for amplifiers | |
JPS6015173B2 (ja) | 並列符号化回路 | |
CN109445510B (zh) | 一种电压源 | |
RU2644531C1 (ru) | Дифференциатор | |
JP2016019119A (ja) | アナログ/ディジタル変換回路 | |
US7135920B2 (en) | Method and circuit for facilitating control of AC coupling in an amplifier circuit | |
US11994537B2 (en) | Floating voltage measuring circuit and method | |
US8368464B2 (en) | Balanced output signal generator | |
JP2014072680A (ja) | 増幅回路 | |
US12092672B2 (en) | Capacitance measurement circuit | |
CN106130512A (zh) | 一种锯齿波产生电路 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190412 |