SU748851A1 - Компаратор - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным приборам переменного и постоянного токов.

Известны миниатюрные компараторы, выполненные на однопереходном транзисторе, управляемых генераторах, операционных усилителях, полупроводниковых диодах и транзисторах. Эти компараторы обладают невысокими характеристиками, вследствие чего в измерительных приборах не применяются.

В измерительных приборах применяются компараторы, выполненные на транзисторах, полупроводниковых'диодах и операционных усилителях, которые обладают миниатюрными размерами, высоким быстродействием и большим уровнем выходного сигнала Щ.

Основными их недостатками являются:. нелинейная передаточная характеристика, дрейф или нестабильность порога срабьггывания и связанная с ним большая погрешность сравнения сигналов постоянного и переменного токов, проникновение входного сигнала переменного тока на выход и связанная с этим невозможность сравнения малых сигналов переменного тока.

Перечисленные недостатки ограничивают применение компараторов областью цифровой обработки сигналов переменного тока амплитудой 1 В и выше.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому является компаратор, содержащий выпрямители, стабилизированный источник питания переменного напряжения, усилители переменного тока и фильтр [2] .

Недостатки этого устройства - дрейф передаточной характеристики, равнь$_ 2,2 мВ, проникновение переменного сигнала с входа на выход и связанное с этим значительное смещение выходного нулевого уровня схемы, малое быстродействие из-за большого числа фильтров на выходе, и из-за большого выход748851

На клемму 6 стробируемого выпрямителя 13 подается положительный сигнал от одного из источников входного сигнала постоянного тока, подлежащего сравнению с другим аналогичным который подается на клемму 7 2-го стробируемого выпрямителя 14. Сигнал U&xg подается на базу транзистора 21 через резистор 25 и открывает этот резистор, смещая переход база-эмиттер в прямом направлении, а транзистор 23 в это время запирается. Одновременно на эмиттеры транзисторов 21 и 22 подается напряжение смещения постоянного тока равное 0,7 В от источника 12 опорного стабилизированного напряжения, которое суммируется с сигналами и Ufcxj, ^а Н^а коллекторы транзисторов и 22 подается переменное напряжение стробирования прямоугольной формы* положительной полярности И кз , которое изменяется от Икэ= 0 до + И_кэ-1. равное 10В. При О ток базы транзистора 21, протекающий через резистор 25 от источников , максимален и равен:

' ⁽· ^где U_on “ θ^{17 Β:} “ сопротивление перехода базы эмиттер-транзистора 21;

Кэ - сопротивление его эмиттера;

- сопротивление резистора 25.' При (.у О / (2) где - ток эмиттера;

- ток коллектора транзистора 21. Таким образом, изменение напряжения коллектора транзистора 21 модулирует ток его базы, который протекает через делитель напряжения, состоящий из R₂g и Rg₃. Переменная составляющая напряжения пропорциональная модулируемому току базы и равная U₂- ^Srni^ снимается через разделительный конденсатор 31 и подается на вход усилителя переменного тока 16, где усиливается и поступает далее на блох 18 выходных выпрямителей. Одновременно аналогичный сигнал переменного тока, снимаемый с базы транзистора 22 2—го стробируемого выпрямителя 14 через разделитель_5J ный конденсатор 32 подается на вход усилителя 17 переменного тока, где усиливается и поступает далее на блок 18 выходных выпрямителей. Эти два сигнала, поступающие на входы блока 18) ного сопротивления схемы, невозможность сравнения сигналов малых уровней, например^ 1-20 мВ, а также невысокая линейность передаточной характеристики диодов. ₅

Цель предлагаемого изобретения - _ч расширение функциональных возможностей устройства.

Для достижения этой цели в компаратор, содержащий выпрямители, стабили- 10 зированный источник переменного напряжения, усилители переменного тока и фильтр, введены два регулируемых источника стабилизированного опорного напряжения постоянного тока, соединённые ' 15 с выходами выпрямителей соответственно, другие выходы которых через усилители переменного тока соединены с входами выходного выпрямителя, выходы которого соединены с фильтром, причем стабили- 20 зированный источник переменного напряжения соединен с входами выпрямителей, другие входы которых соединены с фильтром, выпрямители могут быть выполнены каждый на двух транзисторах различного ²⁵ типа проводимости, коллекторные цепи которых через резисторы соединены со стабилизированным источником переменного напряжения, а базовые цепи через’ резисторы соединены с входными клеммами. 30 На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - графики, поясняющие принцип действия управляемых выпрямителей.

Компаратор содержит клеммы 1-10, регулируемые источники 11,1.2 стабилизированного опорного напряжения постоянного тока, выходы которых подключены к первому и второму входам стробируемых выпря- , мителей 13 и 14, выполненных на двух транзисторах различного типа проводимости каждый. На входы 3 и 4,5 и 8 выпрямителей подается переменное напряжение стробирования от источника 15 стабильного переменного напряжения. Выходные сигналы выпрямителей снимаются с базовых цепей 9 и 10 и подаются на входы усилителей 16 и 17 переменного тока , выходы которых, в свою очередь, соединяются с блоком 18 выходных выпрямителей , а с его выхода поступают на фильтр 19. Общая шина устройства клемма 20. Выпрямители выполнены на транзисторах 21-24, резисторах 25-30, конденсаторах 31-32.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

(выходных выпрямителей выпрямляются^ |и вычитаются друг из друга так, что на выходе фильтра 19 получается разностный сигнал постоянного тока, пропорциональный разности ( )·

Если же входные сигналы 11^,и рицательной полярности, тогда будут открыты транзисторы 23 и 24 ₉а заперты Транзисторы 21 и 22. Запертые транзисторы другого типа проводимости всегда работают как компенсаторы статической и динамической нестабильности, компенсируя температурный дрейф и динамические выбросы на высоких частотах.

Когда необходимо сравнивать разнополярные сигналы Ц^и сигналы переменного тока с постоянным или переменного с переменным, тогда работают все четыре транзистора одновременно. На коллекторы транзисторов 23 и 24 подается переменный прямоугольный сигнал, изменяющийся от и_кэ= О до -U_K,, от источника стабилизированного переменного напряжения 15, причем амплитуды ’U|Q ^и+*Лэ Р^авнь’ ^по абсолютной величине. На эмиттерах транзисторов 23 и 24 подается стабилизированный сигнал постоянного тока, равный + 0,7 В от источника 11 стабилизированного опорного постоянного напряжения. Изменением величин опорных напряжений и ϋ_0Π£ и величин tUgj ирегулируется порог срабатывания, т.е. порог преобразования базового тока или чувствительность компаратора. Чувствительность может регулироваться от нескольких десятков мкВ до нескольких сотен млВ..

На фиг. 2а изображена входная характеристика транзистора 2_Л , ее графическая зависимость от стробируемого переменного напряеЖния и от температуры. Из этой характеристики видно, 'что Δ3$= (^nay-J^in) не зависит от температуры; на фиг. 26 показана зависимость U_on^ на фйг. 2в зависимость =

- ^имо)’ Ч_э - 0).

Последние две характеристики построены из характеристик фиг. 2а. Они линейные. ^:

Предлагаемый компаратор позволяет сравнивать постоянное напряжение с переменным и переменное с переменным. В первом случае постоянное напряжение подается на клемму 6, а переменное на клеммы 5 и 8, клемма 7 соединяется с общей шиной 20. Во втором случае один переменный сигнал подается

748851 6 уа клемму_5, а второй на клемму 8_У ’ клеммы 6 и 7 соединяются с обшей шиной. Транзисторы 21-24 стробируемых выпрямителей 13 и 14 могут работать ; в инверсном включении, т.е. когда их эмиттеры и коллекторы меняются местами. В этом случае коэффициент преобра‘зования постоянного в шается от 0,8 до 0,5, возрастает.

переменное уменьа стабильность всех приборах выПоскольку почти во ходные сигналы компараторов всегда преобразовываются в постоянное напряжение, то это напряжение можно подводить в качестве отрицательной обратной связи на эмиттеры и базы (стробируемых управляемых) выпрямителей, можно также вводить отрицательную обратную связь по постоянному, переменному напряжению и баланс. Это позволяет исключить дрейф преобразования. При этом в предлагаемом компараторе отсутствует дрейф; обусловленный нестабильностью источника переменного напряжения 15.

Предлагаемый компаратор позволяет сравнивать переменные и постоянные напряжения малых уровней порядка 0,1 мВ и меньше, при этом разрешающая способность его определяется стабильностью опорного напряжения , что в схеме известного устройства это получить невозможно, так как диодные выпрямители обладают порогом, равным 0,20,7 В и дрейфом~2,2 мВ/C, который в известных схемах полностью компенсировать невозможно; применить его в качестве датчика разбаланса при стабилизации амплитуды колебаний генераторов или для стабилизации выходного напряжения источников питания, работающих на динамическую нагрузку; сравнивать постоянное напряжение с переменным, постоянное с постоянным и переменное с переменным в широкой полосе частот с высоким быстродействием; преобразовывать постояйное напряжение, т.е. работать в качестве модулятора переменного и постоянного тока. В последнем случае он обладает регулируемой пороговой разрешающей способностью (чувствительностью) , благодаря чему отсутствует проникновение переменного ₄ сигнала на выход. Компаратор позво- . ляет также применять его в качестве нуль-детектора или датчика перехода переменного сигнала через нулевое значение, выпрямителя или ограничителя с управляемой или регулируемой амплитудой, а также в качестве схемы АРУ.

Преимущества предлагаемого компаратора позволяют применять его во многих высокостабильных малогабаритных приборах для получения стабильных и точных. измерений постоянных й переменных напряжений, а также и для стабилизации переменных напряжений в генераторах.

Claims (2)

1

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к измерительным приборам переменного и посто нного токов.

Известны миниатюрные компараторы, выполненные на однопереходном транзисторе , управл емых генераторах, операционных усилител х, полупроводниковых диодах и транзисторах. Эти компараторы обладают невысокими характеристиками, вследствие чего в измерительных приборах не примен ютс .

В измерительных приборах примен ютс  компараторы, выполненные на транзисторах , полупроводниковых диодах и операционных ус1глител х, которые обладают миниатюрными размерами, высоким быстродействием и большим уровнем выходного сигнала 1.

Основными их недостатками  вл ютс : нелинейна  передаточна  характеристика, дрейф или нестабильность порога срабытывани  и св занна  с ним больша 

(54) КОМПАРАТОР

погрешность срлинени  сигналов посто нного и переК, токов, ггроникнове1ще входного сигнала переменного тока на выход и св занна  с этим невозможность сравнени  малых сигналов переменного тока.

Перечисленные недостатки ограничивают применение компараторов областью цифровой обработки сигналов переменного тока амплитудой 1 В и выше.

10

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому  вл етс  компаратор , содержащий вьшр мители, стабилизированный источникпитани  переменного напр жени , усилители переменного тока и фильтр 2 .

Недостатки этого устройства - дрейф передаточной характеристики, равньШ. 2 ,2 мВ, пронигаювение переменного сигнала с входа на выход и св занное с

20 этим значительное смещение выходного нулевого уровн  схемы, малое быстродействие из-за большого числа фильтров на выходе, и из-за большого выходiibro сопротивле1ш  схемы, невоэможность сравнени  сигналов малых уровней, например 1-2О мВ, а также невысока  линейность передаточной характеристшш диодов.. Цель предлагаемого изобретени  - , расикфение функциональных возможностей устройства. Дл  достижени  этой цели в компаратор , содержащий В1дар мители, стабнлизщюваккый источник перемытого напр жени , усилители иервмв1ш «го тока и фильтр, введены два регулируемых кг;точника стабилизированного опорного на1 ф1Шё1Е«М Шёт6 нш го тока, соединённые с выходами выпр мителей соответственно другие выходы которых через усилители перетащенного тока соединены с входами вы ходного выпр мител , выходы которого соедшены с фильтром, причем стабилизированный источник переменного напр жени  соединен с входами выпр мителей другие входы которых соединены с фильтром , выпр мители могут быть выполнены каждый на двух транзисторах различного типа проводимости, коллекторные цепи которых через резисторы соединены со стабилизированным источником переменно го напр5гжени , а базовые цепи через резисторы соединены с входными клеммами На фиг. 1 приведена функциональна  схема устройства; на фиг. 2 - графики, по сн ющие принцип действи  управл емых выпр мителей. Компаратор сод житклеимы 1-10,регулируемые источники 11, 12 стабилизированного опорного напр жени  посто нного тока, выходы которых подключены к первом и второму входам стробируа ых выпр мителей 13 и 14, выполненных на двух транзисторах различного типа проводимос каждый. На входы 3 и 4,5 и 8 выпр ми телей подаетс  переменное напр жение стробированй  от источника 15 стабильного переменного напр жени . Выходные сигналы выпр мителей снимаютс  с базовых цепей 9 и 1О и подаютс  на входы усилителей 16 и 17 переменного тока , выходы которых, в свою очередь, соедин ютс  с блоком 18 выходных выпр мителей , а с его выхода поступают на фильтр 19. О&ца  шина устройства клемма 2О. Вьшр мителн выполнены на транзисторах 21-24, резистсфах 25-30 конденсаторах 31-32. Предлага0 1ое устройство работает одедук пим образом. На клемму б стробируемого выпр мител  13 подаетс  положительный сигнал т одного из источников входного сигнала посто нного тока, подлежащего сравнению с другим аналогичным U(,y , который подаетс  на клемму 7 2-го стробируемого выпр мител  14. Сигнал подаетс  на базу транзистора 21 через езистор 25 и открьгоает этот резистор , смеща  переход база-эмитт в пр мом направлении, а транзистор 23 в это врем  запираетс . Одновременно на эмиттеры транзисторов 21 и 22 подаетс  напр жение смешени  npCTosmного тока равное 0,7 В от источника 12 опорногч стабилизированного напр5гжешш, которое суммируетс  с сигналами Uftxi и коллекторы транзисторов 21 к 22 подаетс  переменное напр жение стробированй  пр моугольной формы положительной пол рности Hj/j , которое измен етс  от до И. I, равное 10В. При И О ток базы транзистора 21, протекающий через резистор 25 от источников максимален и равен: Uвx оп S a SrtxxJR s -0,7 В; -сопротивление перехода базы эмиттер-транзистора 21; -сопротивление его эмиттера; сопротивление резистора 25. . (2) где 3:j - ток эмиттера dyj - ток коллектора транзистора 21. Таким образом, изменение напр жени  коллектора транзистора 21 модул1фувт ток его базы, протекает делитель натф жени , состо щий из и Rg Переменна г составл51юша  напр жени  пропорциональна  модулируемому току базы и равна  М-бпадх ii снимаетс  через разделительный конденсатор 31 и гюдаетс  на вход усилител  переменного тока 16, где усиливаетс  и поступает далее на блок 18 выходных выпр мителей. Одно еменно аналогичный сигнал пер0м шого тока, снимае ый с базы транзистора 22 2-го строб1фуемого выпр мител  14 через разделительный конденсатор 32 подаетс  на вход усилител  17 переменного тока, где усиливаетс  и поступает далее на блок 18 выходных вьшр мителей. Эти два сигнала, поступакшше на входы блока 18 выходных выпр мителей выпр мл ютс  и вычитаютс  друг из друга так, что на выходе фильтра 19 получаетс  разностный сигнал посто нного тока, пропорцио нальный разности ( и Ь1ьх,и Ов отЕсли же входньге сигналы рицательной пол рности, тогда будут открыты транзисторы 23 и 24 ,а заперты транзисторы 21 и 22. Запертые транзисторы другого типа проводимости всегда работают как компенсаторы статической и динамической нестабильности, компен сиру  температурный дрейф и динамические выбросы на высоких частотах. Когда необходимо сравнивать разнопол рные сигналы Ue.j.H Ug,y 21 сигналы перетленного тока с посто нным или переменного с переменньпл, тогда работаю все четыре транзистора одновременно. На коллекторы транзисторов 23 и 24 подаетс  переменный пр моугольный сиг нал, измен ющийс  от О до , от источюпса стабилизированного перемен го напр жени  15, причем амплитуды tU равны по абсолютной велнчи не. На эмиттерах транзисторов 23 и 2 подаетс  стабилизированный сигнал посто нного тока, равный L + 0,7 В от источника 11 стабилизированногоопорно го посто нного напр жени . Изменением величин опорных напр жений Ц. и Uo и величин tU|Q и-Ццэ регулируетс  порог срабатывани , т.е. порог преобразовани  базового тока или чувствительность ком паратора. Чувствительность может регулироватьс  от нескольких дес тков .мкВ до нескольких сотен млВ.. На фиг. 2а изофажёна входна  харак теристика транзистора 2 , ее гр ическа  зависимость от стробируемого переменного напр еАни  U,o и от темпе ратуры. Из этой характеристики видно, что Да5 ) не зависит от температуры; на фиг. 26 показана зависимость ЛчЗ t- Ц на фиг. 2в зависимость 10-икэо)(): Последние две характеристики построе ны из характеристик фиг. 2а. Они линейны Предлагаемый компаратор позвол ет сравнивать посто нное напр жение с переменным и переменное с племенным. В первом случае посто нное напр жение подаетс  на клемму 6, а переменное на клеммы 5 и 8, клемма 7 соедин етс  с ойией шиной 2О. Во втором случае ащн переменный сигнал подаетс  на клемму 5, а второй на клемму Qy клеммы 6 и 7 соедин ютс  с ойдей щиной . Транзисторы 21-24 стробируемых выпр мителей 13 и 14 могут работать в инверсном включении, т.е. когда их эмиттеры и коллекторы мен ютс  местами . В этом случае коэффициент преобразовани  посто нного в переменное уменьшаетс  от 0,8 до 0,5, а стабильность возрастает. Поскольку почти во всех приборах выходные сигналы компараторов всегда преобразовываютс  в посто нное напр жение, то это напр жение можно подводить в качестве отрицательной обратной св зи на эмиттеры к базы (стробируемых управл емых ) выпр мителей, можно также вводить отрицательную обратную св зь по посто нному, переменному напр жению и баланс. Это позвол ет исключить дрейф преобразовани . При этом в предлагаемом компараторе отсутствует дрейфу обусловленный нестабильностью источника переменного напр жени  Предлагаемый компаратор позвол ет сравнивать переменные к посто нные напр жени  малых уровней пор: дка О,1 мВ и меньше, при этом разрешающа  способность его определ етс  стабильностью опорного напр жени  (Qf , что в схеме известного устройства это получить невозможно, так как диодные выпр мители обладают порогом, равным О,20 ,7 В и дрейфом 2,2 мВ/С, который в известных схемах полностью компенсировать невозможно; применить его в качестве датчика разбаланса при стабилизации амплитуды колебаний генераторов или дл  стабилизации выходного напр жени  источников питани , работающих на динамическую нагрузку; сравнивать посто нное напр жение с переменным , посто нное с посто гшым и п еменное с племенным в широкой полосе частот с высоким быстродействием; преобразовьтать посто нное напр жение, т.е. работать в качестве модул тора переменного и посто нного тока. В послед &л случае он обладает регулируемой пороговой разрешающей способностью (чувствительностью) , благодар  чему отсутствует проникновение п ретленнопо , сигнала на выход. Компарат ф позво- л ет также примен ть его в качестве Нуль-детектора или датчике перехода переменного сигнала череа нулевое значите , выпр мител  или ограничител  с управл емой или регу1Цфуемой амплитудой , а также в качестве схемы АРУ. Преимущества предлагаемого компаратора позвол ют примен ть его во многих высокостабильных малогабаритных приборах дл  получени  стабильны и точньщ.намерений посто нных и пё-ремевных напр жений, а также и дл  стабилизации переменных напр жений в теп аторах. Формула и 3 о б р е т е н и   1. Компаратор, содержащий вьтр мители , стабилиз1фованный источник пере менного напр жени , усилители переменного тока и фильтр, о т л и .4 а ю щ и с   тем, что, с целью расиофени  функ циональных возможностей, в него введе ,регулируемых источника стабилизи-рованного опорного напр жени  посто  ного тока, соединенные с выходами вы51 пр мителей соответственно, другие выходы которых через усилители перемсттого тока соединены с входами выходного выпр мител , выходы которого соединены с фильтром, причем стабилизированный источник переменного напр жени  соединен с входами выгф мителей, другие входы которых соединены с фильтром. 2. Компаратор по п. 1, о т л и чающийс  тем, что вьптр мители выношены каждый на двух транзисторах различного типа проводимости, коллекторные цепи которых через резисторы соединены со стабилизированным источНИКОМ переменного напр жени , а базовые цепи через резисторы соединены с выходными ipieMMaMH,. Источники информации, прин тые во внимание при эксперттае 1. Патент США № 3733498 кл. 307-297, 1973.;

2. Патент ФРГ № 244685О, кл. Q 01 R 19/10, 1976 (прототип).

i fcij feggat Bb r.Tmaac.ALa

J

&ил

в w /28

фие.2 в