SU746580A1 - Инвертор с управл емым ограничением выходного сигнала - Google Patents

Description

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике.

Известны инверторы с управляемым ограничением выходного сигнала, в состав которых входят основной операционный усилитель и два вспомогательных усилителя для реализации ограничения (один в положительной полуплоскости выходного диапазона, второй-в отрицательной).

В структуре первого типа выход вспомогательного неинвертирующего усилителя связан с суммирующей точкой основного операционного усилителя (ОУ). На вход вспомогательного усилителя подается разность выходного напряжения основ- ₁₅ ног о усилителя и напряжения ограничения. При превышении величины выходного сигнала уровня ограничения вспомогательный усилитель обеспечивает дополнительный ток к суммирующей точке основного _м ОУ такой величины, чтобы скомпенсировать изменение входного тока через входной резистор,которое обусловлено изменением напряжения входного сигнала. <

Вспомогательный усилитель стремится гобеспечить постоянную величину разности входного тока и тока компенсации, вследствие чего ток в цепи обратной связи остается неизменным, и неизменным остается выходное напряжение £1}. В структуре второго типа, также состоящей из основного усилителя, двух вспомогательных инвертирующих ОУ и, кроме того, модуля для выделения минимума сигнала, поступающего с выходов основного и вспомогательного ОУ, при превышении величины выходного напряжения величины уровня ограничения основной ОУ с помощью модуля выделения минимума отключается от цепи обратной связи, а один из вспомогательных усилителей (в зависимости от знака уровня ограничения) переводится в режим инвертора, на вход которого подключено напряжение ограничения, а выход инвертора соединен с выходом устройства.

Недостатком известных структур яв- ^: , ляется значительная динамическая ошиб- ³ ка/^возникающая при переходе схемы из линейного режима (режим инвертора) в режим ограничения, а Также принципиа'льj^_{HGBC13MO>KHOCTb} осуществить непрерывную установку уровня ограничения в положительной и отрицательной полуплоскостях выходного диапазона.

Наиболее близким техническимрешо'' ниёМ к предлагаемому является инвертор с управляемым ограничением выходного сигнала, содержащий операционный ' усилитель, выход которого является выводом инвертора и соединен через два последовательно включенных масштабных резистора с источником входного сигнала и через целитель на резисторах - с источником сигнала ограничения £з].

Недостатком этого инвертора с управляемым ограничением выходного сигнала является сравнительно большая динамическая ошибка при переходе из линейного режима в режим ограничения, невозможность непрерывной регулировки уровня ограничения в обеих полуплоскостях выходного диапазона.

При переходе из линейного режима в режим ограничения требуется некоторое время для изменения напряжения на выходе вспомогательного усилителя с уровня ограничениявспомогательного ограничителя до уровня напряжения на выходе основного усилителя. Только по прошествии этого времени начинается переключение аналогового переключателя, доэтого продолжается рост напряжения на выходе ; устройства. Это приводит к появлению _пер_е^_Гу_дар_0МНиЯ да _ВЫХОДе ограничителя. Величина этого напряжения растет с ростом скорости изменения входного сигнала. Наличие этого напряжения и приводит к появлению дополнительной динамической погрешности..

Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения динамической ошибки в режиме ограничения.

Поставленная цель достигается тем, что инвертор , с управляемым ограничением выходного сигнала содержит дифференциальный компаратор, формирователь сигналов управления и-два ключа, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам формирователя сигналов управления, размыкающий ключ включен между общим выводом масштабных резисторов и суммирующим вхо• дом операционного усилитёля,~соёдйнённым через замыкающий ключ со средним, ^: выводом делителя на резисторах, входы

746580 4 дифференциального компаратора подключены соответственно к источникам вход-_: ного сигнала и сигнала ограничения, а выход соединен со входом формирователя сигналов управления. Кроме того, инвертор содержит Два дополнительных ключа, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам формирователя сигналов управления, причем общий вывод масштабных резисторов⁷ через до. полпительный замыкающий кЬюч соединен с шиной нулевого потенциала, подключенной через дополнительный размыкающий ключ к среднему выводу делителя на резисторах.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого инвертора с управляемым ограничением выхёдного сигнала.

Устройство'состоит из операционного усилителя (ОУ) 1, масштабных резиоторов 2, 3, размыкающего ключа 4, который соединяет общий вывод масштабных резисторов с суммирующим входом '5 ОУ. В точку 6 подключен источник входного сигнала, а в точку 7 - источник сигнала ограничения. Между точкой 7 и выходом 8 устройства включен делитель на резисторах 9 и 10. Общая точка этйх резисторов через замыкающий . ключ 11 связана с суммирующим входом 5 ОУ. К точкам 6 и 7 подключены входы дифференциального компаратора 12, выход которого соединен с формирователем 13 сигналов управления. Формирователь 13 имеет парафазный выход. К первому выходу подключен управляющий вход ключа 4, ко второму - управляющий вход ключа 11.

Инвертор работает следующим образом.

Когда величина входного сигнала по абсолютной величине меньше, чем напряжение ограничения, ключ 4 замкнут, а ключ 11 разомкнут. Тогда устройство представляет инвертор (в случае, если сопротивления резисторов 2 и 3 равны). При превышении величиной входного сигнала уровня ограничения компаратор 12 ₅₀ переключается, в результате чего ключ 4 размыкается, а ключ 11 замыкается. Поэтому масштабный резисторы отключаются от суммирующего входа 5 ОУ. Устройство переходит в режим ограничения, где операционный усилитель 1 включен в режим инвертора со входным сигналом, равным напряжению ограничения.

При уменьшении . абсолютнойI величины входного сигнала, когда она сравниV .ется с величиной сигнала ограничения (с точностью до величины петли гистерезиса компаратора) компаратор переключается, изменяются сигналы управления на выходах формирователя, в результатеключ 4 замыкается, а ключ 11 размыкается. Устройство переходит в режим инвертора.

Чтобы исключить натекание тока через разомкнутый ключ 11 (в линейном режиме) или через разомкнутый ключ 4 (в режиме ограничения) и тем самым исключить дополнительные источники ошибок в линейном режиме и режиме ограничения, в устройство введено два дополнительных ключа: замыкающий 14 и размыкающий 15. Ключ 15 соединяет средний вывод резисторов 9 и 10 с шиной нулевого потенциала. Ключ 15 управляется синхронно с ключом 4 от первого выхода формирователя сигнала управления. Ключ 14 соединяет общий вывод резисторов 2 и .3 с шиной нулевого потенциала. ,

Необходимым условием йля работы инвертора с управляемым ограничением выходного сигнала является равенство коэффициентов передачи по входу инвертора и по входу напряжения ограничения. При срабатывании компаратора, когда величина входного сигнала превышает уровень напряжения ограничения, происходит переключение ключей и схема переходит в режим ограничения. Так как при этом входной сигнал отключен от суммирующей точки ОУ, то рассматриваемая схема обеспечивает практически идеальное ограничение. Поскольку при переходе иэлинейного режима в режим ограничения напряжения на выходе ОУ с точностью до разброса в коэффициентах передачи по инвертирующему входу и входу ограничения не изменяется, -в предлагаемой ' структуре отсутствует источник динамической ошибки, который имеет место у известного устройства. Динамическая ошибка, возникающая при переключении ключей, значительно меньше, чем динамическая ошибка ранее известных структур.

746580 ' 6 ничители j,4T0 сокращает общее число элементов.

В результате введения дополнительных ключей величина напряжения на разомкнутом ключе 4 или 11 снижается до величины падения напряжения на замкнутом ключе 14 или 15 тем самым значительно снижается ошибка, вызванная неидеальностью ключей.

Предлагаемая структура обладает многофункциональностью. При фиксированном составе оборудования, только изменяя коммутацию входных соединений устройства, оказывается возможным реализовать такие функциональные свойства, как идеальный диод, электронный коммутатор, управляемый умножитель на постоянный коэффициент.

Режим идеального диода можно рассматривать как частный случай ограничителя с нулевым уровнем ограничения, т.е. точка 7 заземлена. Такая схема при прочих равных условиях обладает более высокой динамической точностью, так как в ней отсутствует ошибка_;обусловленная конечной скоростью изменения выходного напряжения ОУ, которая имеет место в классической схеме идеального диода известного устройства.

В режиме электронного коммутатора один вход компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, а на второй подается сигнал управления. На вход 6 подается напряжение первого канала, на вход 7второго.

Переключение каналов происходит при * изменении полярности сигнала на входе компаратора.

В режиме управляемого умножителя на постоянный коэффициент точки ‘ 6 и 7 объединяются. Один из входов компаратора заземляется, на второй подается сигнал управления. В этом случае величина постоянного коэффициента умножителя определяется величиной относительного изменения Дам 6 и

IS

3S

Так как срабатывание компаратора n_t . следовательно, переключение ключей определяется только разностью напряжений входного сигнала и сигнала ограничения, ⁵ ограничение обеспечивается в обеих ’полуплоскостях выходного диапазона. В устройстве отсутствуют вспомогательные огракоэффициентов передачи no вхо7.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к автоматике и вычислительной технике. Известны кшерторы с управл емым ограничением выходного сигнала, в состав которых вход т основной операпионный усилитель и два вспомогательных уси лител  дл  реализации ограничени  (один в положительной полуплоскости выходного диапазона, второй-в отрицательной). В структуре первого типа выход вспомогательного неинвертЕсрующего усилител  св зан с суммирующей точкой основного операционного усилител  (ОУ). На вход вспомогательного усилител  подаетс  разность выходного напр жени  основног о усилител  и напр жени  ограшшени . Пра превышении величины выходного сит нала уровн  ограничени  вспомЬгате;и.ный усилитель обеспечивает дополнительный тек к суммирующей точке основного ОУ такой величины, чтобы скомпенсиро вать изменение входного тока через входной резистор,которое обусловленоизменением напр жени  входного сигнала. i Вспомогательный усилитель стремитс  обеспечить посто нную ве  чйну разности входного тока н тока компенсации, вследствие чего тоК в цепи обратной св зи остаетс  неизменньш, и неизменным остаетс  выходное напр жение ij. Б структуре второго , также состо щей из основного усил тел , двух вспомогательных ин рт рующих ОУ и, кроме того, модул  дл  выделени  минимума , поступающего с выходов ocHotrного и вспомогательного ОУ, при превыш&amp;аш величины выходнсго напр жени  уровн  ограничени  основной ОУ с помощью модул  выделени  минимума отключаетс  от цепи обратной св зи , а О1ШН из вспомогательных усилителей (в зависимости от знака уровн  ограничени ) переводитс  в режим инвертора , на вход которого подключено напр жение ограничени , а выход инвертора соединен с выходом устройства
2. 2. Недостатком известных структур  вл етсн значительна  динамическа  ошибЩ , возникающа  при переходе схемы иэ линейного режима (режим инвертора)в режим ограничени , а 1акже принщпшапь ;йёй нёв6зМОжносгЬ бсущестшть нШрёрывную установку уровн  ограшчени  в положительной и отрицательной пбпу пос .кост х выходного диапазона. Наиболее близким техническим рёше шШк прШШГйёмШу Я1вп «тс  инвёргтор с управл емым ограничешем выходного сигнала, содержащий операционный у С а:1штель, выход которого  вл етс  вы ходом инвертора и соединен через два - пбе ейоватейьно включенных масштабных резистора с источником входного сигнала и через делитель на резисторах - с источником сигнала ограничени  З. Недостатком этого инвертора с управгл ёмым ограничением выходного сигнала  вл етс  сравнительно больша  динамическа  ошибка при переходе из линейного режима в режим ограничени , невозможность непрерывной регулировки уровн  ограничени  в обеих пблуйлоскост х выхо диапазона. При переходе из линейного режима в режим ограниче ш  требуетс  некоторое врем  дл  изменени  напр жени  на выходе вспомогательного усилител  с уровгв  огранйчёйи  вспомот-ательного огранитщ ёл  выходе основного усилител . Только по прошествии , этого времени начинаетс  переключе ние аналогового 1ерекпюча тёп ,до этого продолжаетс  рост напр жени  на выходе : устройства. Это приводит к по влению Ш р жёШЯперерегулировани  на выходе Ограничител . Величина a-foro напр же1йи растет с ростом скорости изменени  нходного сигнала. Наличие этого напр жёни  и приводит к пЬ влению дополнительной динамической погрешности.. Ilerib изобретени  - йовьТОёшё точности за счёт уменьшени  динамической ошибки в режиме ограничени . Поётавпенна  целидсхзтигаёгс  тем, что инвертор.с управл емым ограничением выходного сигнала содержит дифференциальный компаратор, формйрОваТель сигналов управлени  и-два ключа, управл ющие входы которых подключены к сООт1ветствующим выходам формироват л  сигналов управлени , размьпсающий ключ включен между общим вйвОдом ма штабных резисторов и суммирующим вхо дом ойераШОНногб усйш йЖ; соЖ|:шшнным через замыкающий ключ со средним . -s в 1водом делител  на резист6 х, 1вхрды ифференциального компаратора подклюены соотвё ствбйНО к источникам вход- : ого сигнала и сигнала ограничени , а ыход соединен со входом формировател  11гналов управлени . Кррмб того, инверор содержит Два дополнительных ключа, правл ющие входы которьпс подключены соответствующим выходам формироваел  сигналов управлени , причем общий вывод масштабных резисторов через дополнительный замыкающий кЬюч соединен с шиной нулевого потенциала, подключенной через дополнительный размыкающий кШУч к среднему выводу делител  на резисторах. На чертеже изображена структурна  схема предлагаемого инвертора с управл емым ограничением выхбдного сигнала. Уст хОйсТВо состоит из операциовнот о усилител  (ОУ) 1, масштабных резисторов 2, 3, размыкающето ключа 4, который соедин ет общий вывод масштабных резисторов с суммирующим входом 5 ОУ. В точку 6 подключен источник входного сигнала, а в точку 7 - иЪточник сигнала ограничени . Между точкой 7 и вькодом 8 устройства включен делитель на резисторах 9 и 10. Обща  точка этих резисторов через замыкающий . ключ 11 св зана с суммирующим входом 5 ОУ. К точкам 6 и 7 подключены входы дифференциального компаратора 12, выход которого соединен с формирователем 13 сигналов уп равлени . Формирователь 13 имеет парафазный выход. К первому выходу подключен управл ющий вход ключа 4, ко второму - управл ющий вход ключа 11.Инвертор работает следующим обраКогда величина входного сигнала по абсолютной Ъёпнчине меньше, чем напр жение ограничени , ключ 4 замкнут, а ключ 11 раз(мкнут. Тогда устройство представл ет инвертор (в случае, если сопротивлени  резисторов 2 и 3 равны). При превышении величиной входного сигнала урОвН  ограничени  компаратор 12 йёреключаётс  в результате чего ключ 4 размыкаетс , а ключ 11 замыкаетс . Поэтому масштабные резисторы отключаютс  от суммирующего входа 5 ОУ. Уст ройство п ёр ёХОдит в режим ограничени , где операционный усилитель 1 включен в рёжнй ййвёртЪра со входным сигналом, равным напр жению огра{шчени . При уменьшении -абсолютной величины входного сигнала, когда она сравн .етс  с величиной сигнала ограничени  (с точностью до величины петли гистерезиса компаратора) компаратор переключаетс , измен ютс  сигналы управлени  на вьпсодах формировател , в резуль йЛйч 4 замыкаетс , а ключ 11 раз мыкаетс . Устройство переходит в режим инвертора. Чтобы исключить натекание тока чере разомкнутый ключ 11 (в линейном режиме ) или через разомкнутый ключ 4 (в режиме ограничени ) и тем самым исключить дойолнительные источники оши бок в линейном режиме и ренойме ограничени , в устройство введено два дополнительных ключа: замыкающий 14 и размыкающий 15. Ключ 15 соедин ет средний вывод резисторов 9 и 10 с шиной нулевого потенциала. Ключ 15 управл етс  синхронно с ключом 4 от первого выхода формировател  сигнала управлени . Ключ 14 соедин ет общий вывод ре зисторов 2 и .3 с шиной нулевого потенциала . Необходимым условием tins, работы ин вертора с управл емым ограничением выходного сигнала  вл етс  равенство коэф фициентов передачи по входу инвертора и по входу напр жени  ограничени . При срабатывании компаратора, когда величина входного сигнала превышает уровень напр жени  ограничени , происходит переключение ключей и схема переходит в режим ограничени . Так как при этом входной сигнал отключен от суммирующей точки ОУ, то рассматриваема  схема обеспечивает практически 1Я деальнбе ограничение. Поскольку при переходе иэлинейного режима в режим ограничени  на выходе ОУ с точностью до разброса в коэффициентах передачи по иньертирующему входу и входу ограничени  не измен етс , -.в предлагаемой структуре отсутствует источник динамической ошибки, который имеет место у известного устройства. Динамическа  ошибка, возникающа  при переключении ключей, значительно меньше, чем динамическа  ошибка ранее известных структур . Так как срабатывание компаратора и . следовательно, переключение ключей определ етс  только разностью напр жений входного сигнала и сигнала ограничени , ограничение обеспечиваетс  в обеих полуплоскост х выходного диапазона. В устрой стве отсутствуют вспомогательные ограничители j,4TO сокращает общее число элементов . В результате введени  дополнительных ключей величина напр жени  на разомкнутом ключе 4 или 11 снижаетс  до величины падени  напр жени  на замкнутом ключе 14 или 15 тем значительно снижаетс  ошибка, вызванна  неиде альностью ключей. Предлагаема  структура обладает многофункциональностью . При фиксированном составе оборудовани , только измен   коммутацию входных соединений устройства, оказываетс  возможным реализовать такие функциональные свойства, как идеальный диод, электронный коммутатор, уп равл емый умножитель на посто нный коэффициент. Режим идеального диоаа можно расскгатривать как частный случай ограничител  с нулевым уровнем ограничени , т.е. точка 7 заземлена. Така  схема при прочих равных услови х обладает более высокой динамйчесжой точностью, так как в ней отсутствует сшшбка обусловленна  конечной скоростью изменени  выходного напр жени  ОУ, котора  имеет место в классической схеме идеального диода известного устройства. В режиме электронного коммутатора один вход компаратора соединен с шиной нулевого потешшала, а на второй подает с  сигнал управлени . На вход 6 подаетс  напр жение первого канала, на вход 7второго . Переключение каналов происходит при изменении пол рности сигнала на входе компаратора. В режиме управ}юеиого умножител  на Посто нный коэффициент точки 6 и 7 объедин ютс . Один из входов компаратора заземл етс , на второй подаетс  сигнал правлени . В этом случае величина Посто нного коэффициента умножител  определ етс  величиной относительного изменени  коэффициентов передачи по входам 6 и 7. Формула изобретени  Инвертор с управл емым ограничением ыходного сигнала, содержащий операцио ый усилитель, выход которого  вл етс  ь:ходом инвертора и соединен через два оследовательно включенных масштабных езистора с источником входного сигнала через делитель на резисторах - с исочником сигнала ограничени , о т л й