Пороговое устройство

: ПОДЕЛАМ И ОБРЕТЕНИИ И ОТНРЫТИЙАИИЕ ИЗОБРЕИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕНИ ОПИ К. АВТО н.;21) 33 б 8974/1.8-21(54)(57) ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее операционнйй усилитель с диФ- ференциальными вхдЬами: первый вход которого через резистор подключен к шине нулевого гютенциала, авторой вход - .к шине источника. входного сигнала:, и управляемый резистивный .делитель, образованный двумя после"довательно соединеннывы резисто: рами, второй из которых вторым вы,водом йодключвн к первому источнику огюрного напряжения, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных ре-.г ЯО;, 12432,уя) Н 03 К 5/24; 6 05 В зисторов, база через ограничительный резистор " к выходу операцио . ного .усилителя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения Функциональных возможностей, в не о введен дополнительный управляемый реэистивный делитель, образованный двумя последовательно соединенными резисторами, второй из которых вторым выводом подключен к второму источнику опорногч напряжения, а первый вторым выводом черезрезистор ." к второму входу операционного усилителя и непосредственно к второмувыводу первого резистора управляемого резистивногоделителя, и транзис- щ тором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов, база через дополнительный резистор " к источнику напряжения и И непосредственно к базе транзистора управляемого резистивного делителя, .причем змиттеры транзисторов управ:ляемых резистивных делителей подключены к шине нулевого потенциала.1012132 Составитель Н. МаркинРедактор К. Волощук Техред А %абинец Корректор М.ШароФ Зака филиал ППП "Патент"г, Ужгород, ул, Проектная,2788/69 Тира ВНИИПИ Государствпо делам изобре 1,13035, МЬсква, Ж 931 нного коми ений и отк 35, Раушск Подписное та СССР тий наб., д. 4/51012432 10 20 30 35 40 45 50 55 1 Изобретение относится .к автома" тике и вычислительной технике и мо жет быть применено в системах автоматического регулирования и контроля.Известно пороговое устройство, выполненное на одном операционном усилителе и обеспечивающее воэможность допускового контроля биполярного входного сигнала. В нем с целью получения узкого. диапазона контроля и в любой цасти рабочего диапазона усилителя использованы два диодных полумоста, выходы которых подключены к входным резисторам дифференциального усилителя, а входы соединены и подключены к источнику .чходного сигнала, причем аноды дио. дов первого полумоста подсоединены через резистор к положительному полюсу источника питания, катоды второго полумоста подключены церез другой резистор к отрицательному полюсу источника питания и к инвертирующему входу дифференциального усилителя через резистор подсоединен отрицательный полюс источника опорного напряжения. При этом к неинвертирующему входу дифференциального усилителя через резистор подсоединен положительный полюс источника опорного напряжения1.Однако данное пороговое устрой- ство характеризуется значительнойпогрешностью контроля.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являетсяпороговое устройство, содержащее операционный усилитель с дифференциальными входами, первый вход которого через резистор подключен к шиненулевого потенциала, а второй, входк источнику входного. сигнала, и управляемой резистивный делиель, образованный двумя последовательносоединенными резистораМи, второйиз которых вторым выводом подключенк первому источнику опорного напряжения, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор кточке соединения двух последовательно соединенных резисторов, база через ограничительный резисторк выходу операционного усилителя 2Известное устройство характеризуется большой крутизной дискриминационной характеристики, простотой схемного решения и малым энергопотреблением, однако имеет невысокую точность и функционально ограницено. 2Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональныхвозможностей,Поставленная цель достигаетсятем, что в пороговое устройство,содержащее операционный усилительс дифференциальными входами, первый вход которого через резистор подключен к шине нулевого потенциала,а второй вход - к шине источникавходного сигнала, и управляемый резистивный делитель, образованныйдвумя последовательно соединеннымирезисторами, второй из которых вторым выводом подключен к первому источнику опорного напряжения, и транзистором, коллектор которого подключен через резистор к точке соединения двух последовательно соединенных резисторов, база - через ограничительный резистор с выходомоперационного усилителя, введен до.полнительный управляемый резистивный делитель, образованный двумяпоследовательно соединенными резисторами, второй из которых вторым вы- .водом подключен к второму источнику опорного напряжения, а первыйвторым выводом через резистор - квторому входу операционного усили- .теля и непосредственно к второмувыводу первого резистора управляемого резистивного делителя, итранзистором, коллектор которогоподключен через резистор к точкесоединения двух последовательносоединенных резисторов, база черездополнительный резистор - к источнику напряжения и непосредственно кбазе транзистора управляемого реэистивного делителя, причем эмиттерытранзисторов управляемых реэистивных делителей подключены к шиненулевого потенциала.На .фиг. 1 представлена электрическая схема порогового устройствас двумя порогами срабатывания; нафиг.2 - статическая выходная характеристика порогового устройствав режиме допускового контроля; нафиг. 3 - статическая выходная характеристика порогового устройства сгистерезисными свойствами; на фиг.4 электрическая схема порогового устройства с тремя порогами срабатывания; на фиг. 5 - статическая выходная характеристика порогового устройства с тремя порогами срабатывания,2432 44 и 1 О устанавливается некоторый по- тенциал, например, положительнвй полярности".упри равенстве абсолютных значений напряжений опорных источников Е и и Еуказанный потенциал имеет незначительную величину). В результате на выходе усилителя 1 присутствует положительное напряжение, приоткрывающее транзистор .7, который шунтирует через резистор 8 точку соединения двух резисторов 5 и,6, уменьшая тем самым коэффициент передачи резистивного делителя 4. Таким образом, воздействие управляемого резистивного де" лителя 4 на операционный усилитель1 аналогично воздействию отрицательной обратной связи При .этом операционный усилитель 1 стремится поддержать на своем неинвертирующем входе нулевой потенциал,Наличие входного сигнала С , на;.пример, положительной полярнь .ти вызывает увеличение выходного напряжения 06 усилителя 1, участок ОА на выходной характеристике фиг.2 ) которое с помощью управляемого реэистив+ ного делителя 4 приводит к уменьшеНию тока от источника положительной полярности ЕО 1. Усилитель 1 с помощью реэистивного делителя 4 обеспечивает скорость уменьшеняя тока от источника Еоп , равную скорости увеличения тока от источника входного сигнала. Поэтому результат суммирования неизменного тока от опорного отрицательного источника Е,я , нарастающего тока от входного йсточ- ника. положительной полярности и убы" ввющего с такой же скоростью тока от опорного положительного источника Е остается неизменным и на неинвертирующем входе усилителя 1 сохраняется нулевой потенциал. И так до тех пор, пока транзистор 7 находится на линейном участке работы. Когда же транзистор 7 войдет в режим насыщения, будут исчерпаны возможности регулирования тока от опорного иСточника ЕО 11, При этом усилитель 1 приобретает свойства операционного усилителя с разомкнутой отрицательной обратной связью. Ввиду отсутствия компенсации резистивным делителем 4 нарастания тока от входного источника результат суммирования на неинвертирующем входе усилителя 1 создает некоторый положительный потенциал, За счет. 3 101Пороговое устройство содержит операционный усилитель 1, подключенный входами через резисторы 2 и 3 соответственно к источнику входного сигнала и шине нулевого потенциала, управляемый резистивный делитель 4, .образованный двумя последовательно соединенными резисторами 5 и 6, ю. транзистором 7, коллектор которого подключен через резистор 8 к точке 1 о соединения двух последовательно сое" диненных резисторов 5 и 6, база " через ограничительный резистор 9- к выходу операционного усилителя 1, дополнительный управляемый резис б тивный делитель 10, образованный двумя последовательно соединенными резисторами 11 и 12 и транзистором 131 коллектор которого подключен через резистор 14 к точке соедине- рв ния двух последовательно соединен" ных резисторов 11 и 12, пфи этом . первый резистор 11 вторым выводом подключен через резистор 15 к второму входу операционного усилителя 1, а базы транзисторов 7 и 13 подключены через дополнительный резистор 16 к источнику напряжения. Коррекция выполнена на параллельно соединенных конденсаторе 17 и резисторе 18.Устройство работает следующим.об" разом.Рассмотрим работу порогового уст" ройства 1 фиг.1 в режиме допускового контроля. Указанный режим работы Зф устройства:обеспечивается подсоединением резистивных делителей 4 и 1.0 к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 ( для указанного вари" анта построения устройства входы опе- ф рационного усилителя 1 на фиг.1 обоз-: начены ез скобок).Пусть сопротивление резистора 15 равно нулю, сопротивление резистора 16 бесконечно больше, а сопротивле 45 ния резисторов 5, 6 и 8 резистивно,". го делителя 4 равны сопротивлениям соответственно резисторов 11,. 12 .и 14 дополнительного резистивного делителя 10. При поступлении входного . сигнала через резистор 2.на неинвертирующий вход операционного усилителя 1.резистор 3 соединен с шиной нулевого потенциала.В исходном состоянии на неинвер- Зф тирующем входе операционного усилителя 1 в результате суммирования выходных токов резистивных делителей.Еов,+РЬ ЮН 1 И 2К 8 М+К 5 101 коэффициента усиления в несколько десятков тысяч, характерного для операционного усилителя с разомкнутой отрицательной обратной связью увеличение потенциала на входе усилителя 1 приводит к быстрому нарастанию его выходного напряже" нияучасток АВ на фиг 2 ) до максимального положительного значения + 0 Дальнейшее нараста в ние входного сигнала не приводит к изменению выходного напряжения усилителя 1 ( участок ВС на фиг.2). Уменьшение положительного входно. го сигнала вызывает уменьшение выход- О ного напряжения до нуля (участок СВАО на фиг.2).При поступлении на вход устройства отрицательного входногосигнала последнее работает. аналогичным обра" 20 зом, но выходное напряжение усилителя 1 имеет отрицательную полярность и в формировании выходной характеристики участок СОЕГ на фиг.2) участвует транзистор,13 дополнитель з ного резистивного делителя 10, а транзисторрезистивного делителя 4 остается закрытым, При этом точки излома выходной характеристики 1 тоцкй А и О на фиг,2 ) соответствуют пороговым значениям 0 м 0 входе 1 ного сигнала:оп 2432 ЬИз приведенных уравнений видно, что чем больше соотношения К 8/Кб. и ВЙ/112, тем меньше погрешности Ь 1 и Ь 2, вносимые соответственно транзисторами 1 и 13. Таким образом, выбирая эти соотношения равными 10, 100 и т.д., можно уменьшать в 10, 100 и т.д. Раз погрешность устройства 1 у прототипа абсолютная погрешность соответствует напряжению 01, транзистора). Необходимо учитывать, цто минимальное значение порогов 01 И 011 для случая нулевого сопротивления резистора 15 ограничено значениями погрешностей Ю , Ь 2. Это объясняется тем, цто погрешности Ь 1, й 2, имеющие малую величину относительно напряжений ЕО 11, Еоп, Разно 2. полярных опорных источников, могут иметь значительную величину относительно результата суммирования этих напряжений на входе усилителя 1. В этих условиях сопротивление резистора 15 выбирается отличным от нуля, что позволяет в точке соединения резисторов 5, 11 и 15 обеспе-. чить результат суммирования токов от источников Е 11, Езначительной величины, отйосительно которого пог" решности Ы и 62 пренебрежимо малы. При этом за счет делителя из резисторов 2 и 15 возможно получение порогов срабатывания 0 п, 0 скольпа угодно малой величины..- погрешность порогасрабатывания, вносимая напряжением0 И, транзистораЕ ,Е - напряжения опорныхЬп 1 Оп источников соответственно положительной и отрицательной поляр Пороговое устройство обеспечивает допусковый контроль как биполярного, так и однополярного входного сигнала. При этом сдвиг выходной характеристики устройства в область положитеЛьных входных сигналов (характеристика Г ЕО А В С на фиг.2) или в область отрицательных входных сигналов. (характеристика ГА"ОцАВ С к на фиг.2) обеспечивается соответствующим выбором напряжений Е П 1, Цяи сопротивлений резисторов 5 6, 8 и 11, 12, 14) как это видно из расчетный формул для порогов 0 и 0,1 . В то же вреМя устройство (Фиг.1) обладая тремя устойчивыми состояниями ( уцастки ГЕ, ОА и ВС на фиг.2 ) обеспечивается информацией,о том, что выходной сигнал меньше заданного диапазона его значенийучасток ГЕ на фиг.2), находится в пределах заданного диапазона значений (участок ОА на фиг,2) или больше диапазона заданных зна7 1612432 8 чении (участок ВС на фиг.27. При ,лярности позволяют исключить неопэтом выходное напряжение усили- ределенцость состояния порогового теля 1 принимает соответственно зна-,устройства в начальный момент При чения 0= -01, -О % О +Оо положительной полярности источника и О 1;= +О ж.Здесь величины напря- . у Е устройство принимает состояние с жений -О и +О определяются суммой ,отрицательным входным напряжениемьаъпрямого напряжения база-эмиттер со" (точка -0на фиг.3) а приотри- ответствующего транзистора и паде- . цательной полярности - состояние с ния напряжения на резисторах 9 и положительным выходным напряжением 18, Учитывая,что коэффициенты пере" 1 Ф (точка + 0 на фиг,3). дач по току для маломощных транзис- Пусть в исходном состоянии устрой- торов существенно больше единицы ство имеет максимальное положитель" падение напряжения на резисторах 9ное выходное напряжение, При этом и 18 характеризуется пренебрежимо . транзистор 7 резистивного делителя малой:величиной Кроме того, выбором 1 В 4 открыт, а транзистор 13 управляеконечного значения сопротивления ре- мого делителя 10 закрыт и на инвер" эистора 16 и полярности источника . тирующем входе усилителя 1 устано- Е (им можетбыть источник Е или вилось напряжение порога срабатыва- Е), линейный участок выходной ха" . ния 0 отрицателЬной полярности. рактеристики (участок ОА на фиг.2) уф Поступление изменяющегося входпри необходимости можно передви" ного сигнала положительной поляргать по оси выходного напряжения . . ности через разделительный резистор О, Так при положительной Е ли" 3 на неинвертирующйй вход усилителя нейный участок сдвигается. в отрица" 1 не изменяет состояния устройства. тельную область выходного напряже" 2 Ф Изменение выходного сигнала в обнил (участок Д 2 А 2 на фиг,2), а при .ласть отрицательных значений вплоть отрицательном Ео - в положительнуюдо напряжения порога срабатывания область (участок Д 1 А 1.на фиг.2). О . также не изменяет -состоянияИПри подаче входного сигнала на. .устройства (участок ДЕ на Фиг.3инвертирующий вход усилителя 1 выходная характеристика устройства При достижении в д имеет зеркальное. иэображение от"ри достижении входным сигналомзначения напряжения порога срабатыносительно оси ОВц по отношению ва О д к выходной характеристике на Фиг.2,вания выходное напряжение сиусилителя 1 уменьшается, транзистор 7 6 ри этом расчетные Формулы пороговсрабатывания О , О усложняются фрогов призакрывается и напряжение на ин.Ф Ьъ вертирующем входе усилителя уменьша" но источник входного сигнала раэ- ется и т.д, В результате лавинообвязан от опорных источников Е 1:о ник бе 1 1-опт разного процесса изменения соотноПри подсоединении резистивных . шения напряжений на входах усилите- .делителей 4. и 10 к инвертирующему .ля 1 последний перебрасывается в совходу усилителя 1 пороговое устрой- стояние с отрицательным выходным наство ( фиг.1) обеспечивает, гистере- . .,пряжением 1,участок ЕГ на фиг 3) зисную выходную характеристику транзистор 7 резистивного делителя (фиг.3), Для указанного варианта. ; . закрывается,а транзистор 13 резистйв построения устройства обозначения,. ного делителя 10 открывается и на инвер43входов операционного усилителя 1; :тирующем входе усилителя 1 устанавлива на фиг.1 даны в скобках. ется положительное пороговое напряжеУказанный вариант схемы фиг,17 . ние 01,:.Изменение входного сигна" обладает свойствами. операционного ла вплоть до значения О не изменяП 2. Усилителя с положительной обратной :ет состояния устройства (участок АВ связью. Поэтому в исходном состоя-на фиг. 3). При достижении входнымЮнии после включения устройство При- сигналом значения Оп устройство нимает одно из устойчивых состояний перебрасывается в исходное состояние и выходное напряжение операционно- (участок ВС на фиг.3) и т.д. го усилителя 1 имеет максимальнуювеличину случайной полярности: +01 д ффИзменением соотношения резисторов или -О , ,приработе с биполярным 56 8 и 11 12 14 управляемых резисвходным сигналои . Резистор 18 сов- тивных делителей 4 и 10 пороговые местно с источником Ер выбранной по" уровни Ов 1 и 0. изменяются вплоть9 10124 до их смещения в область положительных ( характеристика СВС О Е Гна фиг.3) или в область отрицательных входных сигналов ( характеристи" ка АфВС 0 Е Е на Фиг.3).При поступлении входного сигнала через разделительный резистор 2 на инвертирующий вход усилителя 1 выходная характеристика устройства имеет зеркальное отображение характерис тики (Фиг 3) относительно оси О .Рассмотренный вариант построения устройства характеризуется теми же точностными характеристиками, что и описанный выше. 15Оба варианта устройства фиг. 1 ха" рактеризуются максимально допустимым уровнем разнополярных порогов срабатывания относительно напряжений опорных источников: 20.) ц 1. .Я=09.+1 ем 4При подсоединении резистивного делителя 4 к одному входу резистивного делителя 10 - к другому входу уси лителя 1,пороговоеустройство (Фиг.4) обеспечивает трехпороговую выходную характеристику при однополярном входном сигнале. При этом устройство обеспечивает режим допускового З 0 контроля.с гистерезисными свойствами одного из порогов. Рассматрим работу варианта построения устройства, для которого обозначения входов усилителя 1 на фиг. 1 даны без скобок, а входной сигнал поступает через разделительный резистор 2 на не инвертирующий вход усилителя.Пусть коэффициент передачи резис-. тивного делителя 4 при открытом транзисторе 7 превышает коэффициент передачи резистивного делителя 10 призакрытом транзисторе 13. При этом в исходное состоянии напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 всег"43 да больше напряжения на его инвертирующем входе, Поэтому усилитель 1 находится в состоянии насыщения и его выходное напряжение имеет величину + О 1 (фиг.5). Пока суммарное напряжение входного сигнала и выхОдного напряжения резистивного дели; теля 4, приложенное к неинвертирующему входу усилителя 1, не уменьшится до порогового уровня О 1 напряжения на инвертирующем входе (при этом входной сигнал будет иметь уровень О 1.И), состояние устройства. не изменяется (участок АВ на Фиг 5),32 ОПри достижении суммарным напряжениеМ уровня О выходное напряжение усилителястремится к нулю (участок ВС на фиг.5),что ведет к призакрываниютранзистора 7 и выходное напряжение резис" тивного делителя 4 начинает возрастать, компенсируя уменьшение входного сигнала, т.е, усилитель 1, не имевший обратной связи при величиная входного сигнала больших О, приП 1 ф обретает теперь свойства усилителя с отрицательной обратной связью в виде резистивного делителя 4. Усилитель 1 формирует линейный участок выходной характеристик (участок СО на фиг.5) до тех пор, пока будут исчерпаны возможности регулирования коэффициента передачи резистивного делителя 4 ( при этом входной сигнал соответствует второму пороговому значению О ). При этом выходное напряжение усилителя 1 уменьшается до отрицательных значений, транзистор 7 закрывается, а транзистор 13 приоткрывается, В результате Напряжение на инвертирующем входе уси" лителя 1 относительно напряжения на его неинвертирующем входе уменьшается и т.д., т.е, усилитель 1 приобретает свойства компаратора с положительной обратной связью и пе-. ребрасывается в состояние с отрица- . тельным выходным напряжением - О , (уиасток ОЕ на фиг.5), При этом транзистор 13 полностью открыт,и на инвертирующем входе усилителя 1 устанавливается третье пороговое напряжение Оменьшей амплитуды, чем О,з. При уменьшенииамплитуды выходного сигнала до уровня ОП, когда напряжение на неинвертирующем входе усилителядостигает значения О, выходное напряжение последнего изме" няет полярность (участок ОН на фиг.5), в результате чего транзистор 13 закрывается, а транзистор 7 открывается, т.е. усилитель 1 теряет свойства усилителя с положительной обратной связью и приобретает свойства усилителя с отрицательной обратной связью и т;д. Ширина петли гистерезиса регулируется в пределах всего линейного участка выходной характеристики (участок ОС на фиг.5) выбором соотношений сопротивлений резисторов 11, 12 и 14 резистивного делителя 10,11 О 21Изменением соотношения коэффици" ентов передач резистивных делителей ч и 10 выходная характеристика уст.-:,. ройства перемещается в область более оТрицательного входного сигнала(ха рактеристика А ВС О Е Г 6 Н" на фиг.5).Изменением полярности источникаЕ и выбором сопротивления резистора 1 б линейный участок выходной ха" 1 в рактеристики перемещается по оси Од(участки Д 1 С и Д 2 С 2 на фиг.5).Прй поступлении входного сигнала через резистор 3 на инвертирующий вход усилителя 1 выходная характерис- и тика устройства формируется в области положительных входных сигналов (ха" рактеристика А В С 0"Е"Г"6"Н" на фиг.5 у;26При подсоединении резистивных де"лителей 1 и 10 в соответствии с обозначением .входов усилителя 1, показанных на фиг,5 в скобках, выходнаяхарактеристика устройства имеет зер",.с рЗ , кальное изображение относительно осивходного сигнала по отношению к ха:;:рактеристике Фиг.5Устройство ( фиг.1), характеризуется теми же точностными показателями,что и устройство на Фиг.1.Для уменьшения номенклатуры ис".пользуемых транзисторов и количест"ва опорных источников, пороговоеустройство 1,Фиг.1, Фиг.ч) может ра 32 12ботать от одного опорного источника. например.от Е. При этом транзистор 13 выбирается того Же типа прово- димости, что и транзистор 7, но в качестве управляемого электрода транзистора 13 используется эмиттер транзистора, а его база соединяется с об" . щей шиной. При этомустройство(фиг. 1)"обеспечивает трехпороговую характеристикуу (фиг.5, а устройство по фиг.4 - двухпороговые характеристики (фиг.2 и Фиг.3), Точность пороговых устройств в таком варианте исполнения по одному из порогов ухудшается, так как при этом напряжение на" сыщения транзистора 13 возрастает до прямого напряжения база-эмиттер.Возможносущественно упрощеннОе построение порогового устройства ( Фиг.1; фиг.5) при использовании дополнительного резистивного делителя 10, выполненного в нерегулируемом варианте например, в виде резистора). При этом пороговое устройство не использует конденсатор 17 и резистор 18,;, Формирует только двухпороговые характеристики ( Фиг,2 и Фиг.3 ) и характеризуется почти в два раза меньшим рабочим диапазоном биполярного входного сигнала. При работе с однополярным входным сигналом, наоборот за счет выбора одинаковой полярности напряжений опор" ных источников, рабочий диапазон входного сигнала расширяется.