Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения - RU160870U1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для формирования выборок мгновенного значения напряжения.

Уровень техники

Известно устройство выборки и хранения, содержащие аналоговый ключ, два операционных усилителя, конденсатор хранения, резистор цепи обратной связи, резистор ограничения, два встречно включенных диода (Жаворонкова М.С., Бондарь С.Н. Разработка быстродействующего устройства выборки и хранения повышенной точности // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь: АГРУС, 2011. С. 102, рис. 3). Особенностью данного устройства является выполнение условия:

где τ_стр - интервал стробирования (выборки);

τ_з - время заряда запоминающего конденсатора.

Недостатком устройства является возникновение погрешности выборки аналогового напряжения, обусловленной тем, что за интервал стробирования (выборки) входное напряжение меняется, что приводит к неоднозначности определения выходного напряжения (в пределах Δu (фиг. 1)), поскольку оно зависит от времени стробирования. Причем отмеченная погрешность является принципиально неустранимой в силу выполнения условия (1).

Известно устройство выборки и хранения содержащее неинвертирующий усилитель напряжения, вход которого одновременно является информационным входом устройства выборки и хранения и вторым входом схемы сравнения, первый вход которой соединен с выходом повторителя на операционном усилителе и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к S-входу триггера, R-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера подключен к входу управления аналогового ключа, вход которого соединен с выходом не-инвертирующего усилителя напряжения, а выход подключен к входам конденсатора хранения и повторителя на операционном усилителе; схема сравнения содержит два компаратора и схему ИЛИ-НЕ, входы которой являются выходами компараторов, а выход служит выходом схемы сравнения; разноименные входы компараторов соединены между собой и со входами схемы сравнения (патент RU 63623, МПК H03K 17/60).

Недостатком устройства является низкая точность запоминания величины напряжения входного сигнала.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения (патент RU 2230376, МПК G11C 27/02).

Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения содержит операционный усилитель (ОУ), неинвертирующий вход которого заземлен, а инвертирующий вход через первый ключ и резистор соединен с источником входного напряжения, причем в цепи отрицательной обратной связи ОУ включен запоминающий конденсатор, параллельно которому включен второй ключ, а выходом устройства является выход ОУ, который через аналоговый инвертор подключен к неинвертирующему входу компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником входного напряжения, а выход - с входом установки в нулевое состояние триггера, выход последнего соединен с входом управления первого ключа, а вход установки в единичное состояние триггера, через формирователь импульсов, соединен с выходом генератора тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа.

Таким образом, в прототипе, запоминание выборки мгновенного значения напряжения осуществляется инвертирующим интегратором (выполненным с использованием ОУ, резистора сопротивлением R и запоминающего конденсатора емкостью Q, с частотной характеристикой (2)

и напряжение на выходе устройства, в момент времени завершения выборки, определяемое выражением (3)

Эффективное время хранения (время хранения Δt_{хранения} в течении которого выполняется условие (4)

где ξ - допустимая ошибка измерения значения напряжения); определяется постоянной разряда интегратора τ_разр выполненного на базе ОУ и нагруженного на параллельно соединенные входные сопротивления аналогового инвертора R_вх.АИ и нагрузки устройства R_вх.н

то есть, чем больше τ_разр, тем больше Δt_{хранения} при заданной ξ.

Так как, согласно прототипа, аналоговый инвертор может быть выполнен по обычной схеме на основе ОУ и двух резисторов (на входе и в цепи отрицательной обратной связи), его входное сопротивление не превысит сотен кОм, единиц МОм и даже без учета влияния входного сопротивления нагрузки Δt_{хранения} будет мало в сравнении с известными устройствами (Волович Г.И., Ежов В.Б. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. С. 40, рис. 51, 52).

Недостатками данного устройства являются:

- инверсия полярности сформированной выборки мгновенного значения напряжения входного сигнала;

- большое значение величины времени выборки Δt_{выборки};

- влияние сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения Δt_{хранения}.

Раскрытие полезной модели

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, заключается в уменьшении значения величины времени выборки и снижении влияния сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения выборки мгновенного значения напряжения с полярностью соответствующей полярности входного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения содержащее: ОУ; генератор тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа, а через формирователь импульсов, соединен с входом установки в единичное состояние триггера, вход установки в нулевое состояние которого соединен с выходом компаратора; выход триггера соединен со входом управления первого ключа; источник входного напряжения, через первый резистор и первый ключ, соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, введены второй, третий и четвертый резисторы, буферный повторитель на ОУ, причем: первый вывод второго резистора соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, вторым выводом первого ключа и неинвертирующим входом ОУ; второй вывод второго резистора соединен с неинвертирующим входом буферного повторителя на ОУ, выходом ОУ и, через четвертый резистор, с инвертирующим входом ОУ и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого заземлен; инвертирующий вход компаратора соединен с источником входного напряжения и первым выводом первого резистора; неинвертирующий вход компаратора соединен с выходом устройства, выходом буферного повторителя на ОУ и его инвертирующим входом; вторые выводы второго ключа и запоминающего конденсатора заземлены.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1, 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

На фиг. 2, приведена функциональная схема устройства для формирования выборки мгновенного значения напряжения.

На фиг. 4, приведена функциональная схема неинвертирующего интегратора выполненная на основе двухполюсника с отрицательным входным сопротивлением.

Осуществление полезной модели

Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения содержит источник входного напряжения 1, ОУ 2, первый ключ 3, первый резистор 4, запоминающий конденсатор 5, второй ключ 6, второй резистор 7, компаратор 8, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 9, логический инвертор 10, формирователь импульсов 11, триггер 12, третий резистор 13, четвертый резистор 14, буферный повторитель на ОУ 15, причем: неинвертирующий вход ОУ 2 соединен, через первый ключ 3 и первый резистор 4, с выходом источника входного напряжения 1 и инвертирующим входом компаратора 8, с первыми выводами второго ключа 6 и запоминающего конденсатора 5, а так же, через второй резистор 7, с неинвертирующим входом буферного повторителя на ОУ 15, выходом ОУ 2 и, через четвертый резистор 14, с инвертирующим входом ОУ 2 и вторым выводом третьего резистора 13, первый вывод которого заземлен; вторые выводы второго ключа 6 и запоминающего конденсатора 5 заземлены; выход генератора тактовых импульсов 9, через логический инвертор 10, подключен к входу управления второго ключа 6, а через формирователь импульсов 11, соединен с входом установки в единичное состояние триггера 12, вход установки в нулевое состояние которого соединен с выходом компаратора 8; выход триггера 12 соединен со входом управления первого ключа 3; неинвертирующий вход компаратора 8 соединен с выходом устройства, выходом буферного повторителя на ОУ 15 и его инвертирующим входом.

Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 3), на которых показаны:

- выходное напряжение u₉ ГТИ 9 (фиг. 3а);

- входное напряжение устройства u_вх, выходное напряжение u₂ ОУ 2, выходное напряжение u₁₅ буферного повторителя на ОУ 15 (фиг. 3б);

- выходное напряжение u₁₀ логического инвертора 10 (фиг. 3в);

- выходное напряжение u₈ компаратора 8 (фиг. 3г);

- выходное напряжение u₁₂ триггера 12 (фиг. 3д);

- выходное напряжение u₁₂ формирователя импульсов 11 (фиг. 3е). Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения работает следующим образом.

ГТИ 9 вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг. 3а), управляющие работой устройства. Рассмотрим, например, i-й интервал работы устройства, начинающийся в момент времени t_i (фиг. 3). Выходное напряжение ГТИ 9 через логический инвертор 10 подается, во-первых, на вход управления второго ключа 6, причем в интервал времени [t_i; t_i+0,5] это напряжение равно нулю (фиг. 3в), поэтому второй ключ 6 разомкнут, а во-вторых, - на вход формирователя импульсов 11, который формирует короткий импульс (фиг. 3е), устанавливающий триггер 12 в состояние «1» (фиг. 3д), поскольку он подается на вход асинхронной установки триггера в единичное состояние. Этот выходной сигнал триггера 12 подается на вход управления первого ключа 3, который замыкается в момент времени t_i.

Входное напряжение u_вх (фиг. 3б) с источника входного напряжения 1 (фиг. 2) поступает на неинвертирующий интегратор (фиг. 4), выполненный на основе двухполюсника с отрицательным входным сопротивлением (Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах / под ред. С.Я. Шаца - М.: Сов. радио, 1976, 312 с. С. 158-163, рис. 4.23, рис. 4.24) состоящий из ОУ 2, запоминающего конденсатора 5 и резисторов 4, 7, 13, 14.

В силу необходимости выполнения условия (7)

где R₍₄₎, R₍₇₎, R₍₁₃₎, R₍₁₄₎- сопротивления резисторов, соответственно, 4, 7, 13 и 14, определяющего режим оптимального функционирования интегратора, его частотная характеристика описывается выражением (8) (Преобразователь отрицательного сопротивления. [Электронный ресурс] html.cgi/txt/doc/op/funop_10_6.htm (дата обращения: 22.09.2015))

Выходное напряжение ОУ 2 (а также и буферного повторителя на ОУ 15), на интервале [t_i;t_выбj] изменяется в соответствии с выражением (9) (фиг.3б)

и подается на компаратор 8, на другой вход которого подается также входное напряжение.

При u₂₍₁₅₎вх компаратор 8 находится в состоянии «0» (фиг. 3в) и не влияет на работу триггера 12. В момент времени t_выбi (время выборки) (фиг. 3б),

что фиксируется компаратором 8 в виде наличия на его выходе перепада напряжения «0-1», триггер 12 перебрасывается в состояние логического «0» (фиг. 3д), что приводит к отключению первого ключа 3.

В итоге, конденсатор 5 запоминает напряжение, которое равно мгновенному значению входного напряжения в момент времени t_выбi, т.е. производится формирование выборки мгновенного значения. Время хранения равно (t_i+0,5-t_выбi) (фиг. 3б), в течение которого можно использовать полученную информацию о значении выборки в соответствии с решаемыми задачами. В течение интервала времени [t_i+0,5; t_i+1] второй ключ 6 замыкается (на его вход управления поступает единичный сигнал с выхода логического инвертора 10 (фиг. 3в)) и конденсатор 5 разряжается, а в момент времени t_i+1 (фиг. 3) начинается следующий цикл.

Таким образом, в случае предлагаемого устройства, с учетом выражений (3) и (9), правомерно утверждение об уменьшении значения времени выборки, а именно:

при формировании выборки мгновенного значения напряжения, причем с полярностью, соответствующей полярности входного сигнала.

Так как, в предлагаемом устройстве, нагрузкой интегратора, выполненного на базе ОУ 2, выступает буферный повторитель на ОУ 15, в случае которого справедливо условие

где R_вх.БП - входное сопротивление буферного повторителя на ОУ 15, то с учетом выражений (4), (5) и (6), правомерно утверждение

Учитывая, что в предлагаемом устройстве, сопротивление нагрузки устройства не оказывает влияния на величину R_вх.БП, правомерно утверждать о формировании выборки мгновенного значения напряжения независимо от сопротивления нагрузки устройства, а значит о снижении влияния сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения выборки мгновенного значения напряжения.

Реферат

Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения, содержащее: операционный усилитель (ОУ); генератор тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа, а через формирователь импульсов соединен с входом установки в единичное состояние триггера, вход установки в нулевое состояние которого соединен с выходом компаратора; выход триггера соединен со входом управления первого ключа; источник входного напряжения, через первый резистор и первый ключ, соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, отличающееся тем, что в устройство введены второй, третий и четвертый резисторы, буферный повторитель на ОУ, причем первый вывод второго резистора соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, вторым выводом первого ключа и неинвертирующим входом ОУ; второй вывод второго резистора соединен с неинвертирующим входом буферного повторителя на ОУ, выходом ОУ и, через четвертый резистор, с инвертирующим входом ОУ и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого заземлен; инвертирующий вход компаратора соединен с источником входного напряжения и первым выводом первого резистора; неинвертирующий вход компаратора соединен с выходом устройства, выходом буферного повторителя на ОУ и его инвертирующим входом; вторые выводы второго ключа и запоминающего конденсатора заземлены.

Формула

Устройство для формирования выборки мгновенного значения напряжения, содержащее: операционный усилитель (ОУ); генератор тактовых импульсов, который через логический инвертор подключен к входу управления второго ключа, а через формирователь импульсов соединен с входом установки в единичное состояние триггера, вход установки в нулевое состояние которого соединен с выходом компаратора; выход триггера соединен со входом управления первого ключа; источник входного напряжения, через первый резистор и первый ключ, соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, отличающееся тем, что в устройство введены второй, третий и четвертый резисторы, буферный повторитель на ОУ, причем первый вывод второго резистора соединен с первыми выводами второго ключа и запоминающего конденсатора, вторым выводом первого ключа и неинвертирующим входом ОУ; второй вывод второго резистора соединен с неинвертирующим входом буферного повторителя на ОУ, выходом ОУ и, через четвертый резистор, с инвертирующим входом ОУ и вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого заземлен; инвертирующий вход компаратора соединен с источником входного напряжения и первым выводом первого резистора; неинвертирующий вход компаратора соединен с выходом устройства, выходом буферного повторителя на ОУ и его инвертирующим входом; вторые выводы второго ключа и запоминающего конденсатора заземлены.