Устройство для извлечения квадратного корня

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских(22) Заявлено 28. 08, 81 (21) 3332496/18-24 "с присоединением заявки Мо(23) Приоритет -Опубликовано 15,03.83, Бюллетень М 10Дата опубликования описания 15. 03, 83; 1 И) И. Кл.з 6 Об С 7/20 Государственный комитет СССР оо делам изобретений и открытий(72) Автор изобретен 71) Заявитель ательский институт теплоэнергетического при боростроени я(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ АТНОГО КОРН 20 3 Изобретение относится к аналоговойвычислительной технике и может бытьиспользовано в функциональных преобразователях в качестве элемента, линеафризующего статическую характеристикудифманометров, используемых для измерения расхода ряда технологическихпараметров через перепад давления насужающем устройстве.Известно устройство для извлеченияквадратного корня, содержащее квадратор в цепи отрицательной обратнойсвязи усилителя 1 ),Но это устройство имеет значительную погрешность при малых уровнях инФормационного сигналаНаиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для извлеченияквадратного корня, содержащее двухвходовой интегратор, блок сравнения(детектор нуля), одновибратор, дваключевых элемента, источник эталонного напряжения, активный фильтр,выход которого является выходом устройства2 .Недостаток известного устройстваневысокая точность и достаточно сложная конструкция. Основными элементами, от которых в значительной степени зависит точность выполнения заданной Функции, являются ключевыеэлементы и источник эталонного напряжения. Разброс и асимметрия коэффициентов передачи этих ключей, нестабильность опорного сигнала, снимаемого с источника эталонного напряжения,дрейф нуля блока сравнения и интегратора являются дестабилизирующими 0 факторами, влиаацими на точность.Цель изобретения - повышение точности преобразования.Поставленная цель достигается тем,что в устройство для извлечения квад"ратного корня, содержащее активныйФильтр, выполненный на первом операционном усилителе, выход которого,являющийся выходом устройства, че"рез соединенные параллельно первыймасштабный резистор и интегрирующийконденсатор, соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с первымвыводом второгомасштабного резистора, а через третий масштабный резистор - с входом 5 устройства, введены широтно-импульсный моцулятор с однополярной статической характеристикой, однополупериодный выпрямитель, выполненный навтором операционном усилителе, неин вертирующий вход которого соединен сройства, а также при этом дополнитель.но охвачен коммутируемой положительной обратной связью, содержащей двухвходовой однополупериодный выпрямитель 22, выполненный на операционномусилителе 3. В свою очередь, этотусилитель замкнут отрицательной диодно-реэистивной обратной фсвязью такимобразом, что на его выходе может формироваться только однополярный сигнал Е,Устройство работает следующим образом.Функциональная сборка из элементов 3, 12, 13, 8 и 9, входящих в полупериодный выпрямитель 22,по своему действию эквивалентна прецизионному (идеальному) диоду. Другимисловами, работа этой сборки основывается на том, что при одной полуполярности входного напряжения У онос определенным масштабным коэффициентом, зависящим практически толькоот величины отношения српротивлениймасштабных резисторов 9 и 8, подается на выход в виде сигнала 2, апри другой полярности выходное напряжение 1 поддерживается равным нулю.На дополнительный второй вход однополупериодного выпрямителя 22 черезмасштабный резистор 10 подается управляющий сигнал Я с выхода широтноимпульсного модулятора 14, выполненного по схеме управляемого автогенератора, который формирует на выходетолько однополярные прямоугольные импульсы Я со знаком, противоположнымзнаку сигнала У, снимаемого с выходаактивного фильтра 1. На инвертирующем входе второго операционного усилителя 3 сигналы Ц и Ч суммируютсятаким образом, что выхо,",ной сигналширотно-импульсного модулятора 14является всегда запирающим для одно 1 ополупериодного выпрямителя 22 во всемдиапазоне изменения сигнала у,В результате этого выходной сигнал Ч активного фильтра 1 по цепиего положительной обратной связи блокируется на время, равное длительностивыходных импульсов широтно-импульсного модулятора. Положительнаяобратная связь замыкается на время,когда О= О.Таким образом, на выходе однополупериодного выпрямителя 22 наблюдается последовательность импульсов 2, длидлительностью 1 О и периодом повторенияТ. При этом имеет место равенствов связи с чем постоянная составляющая Г указанного выходногосигнала может бить найдена иэ следующего выражения4Ь - )ЧИ . с З=с 1, И-)Ч, И)огде 7. - постоянная (средняя) составРфляющая сигнала положительной шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход соединен с первыми выводами четвертого и пятого масштабныхрезисторов и через коммутирующий диод - с выходом второго оПерационногоусилителя, подключенного через второйкоммутирующий диод к второму выводупятого масштабного резистора и к втоРому выводу второго масштабногорезистора, второй вывод четвертогомасштабного резистора соединен с вы- )Оходом первого операционного усилителя и с входом широтно-импульсногомодулягора с,однополярной статическойхарактеристикой, выход которого через дополнительно введенный шестой 15масштабный резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя.Кроме того, широтно-импульсныймодулятор с однополярной статическойхарактеристикой выполнен на дифференциальном операционном усилителе, выход которого через диодный ограничитель знака выходных импульсов соединен с первым выводом токоэадающегорезистора, второй вывод кдторого,являющийся выходом широтно-импульсного модулятора с однополярной ста-.тической характеристикой, соединен спервым выводом стабилитрона и черезинерционное РС-звено - с инвертирующим входом дифференциальногооперационного усилителя и первымвывоцом масштабного резистора, второй вывод которого является входомширотно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителясоединен со средним выводом резистивного делителя напряжения, крайние 40выводы которого соединены соответственно с вторым выводом токозадающего резистора и шиной нулевого потенциала, второй вывод стабилитронасоединен с шиной нулевого потенциала.На чертеже представлена блок-схемаустройства для извлечения квадратногокорня,Устройство содержит активный 50фильтр 1, операционные усилители 2и 3, интегрирукщий конденсатор 4,масштабные резисторы 5-11, коммутирующие диоды 12 и 13, широтно-импульсныймодулятор 14 с однополярной статической характеристикой, дифференциальный операционный усилитель 15,диодный ограничитель 16 знака выходных импульсов, токоэадающий резистор 17, стабилитрон 18, резистор 19инерционного КС-звена, резистивный делитель напряжения 20 и 21, од"нополупериодный выпрямитель 22, конденсатор 23 инерционного КС-звена.Активный фильтр 1 включен непосредственно между входом и выходом уст25 РОд -с - еЯ Ф. =С -ЬЯвхС 1 вх. у Ч3-,30 где е-. - Сллем "ло постоянная временицепи отрицательнойобратной связи широтно-импульсногомодулятора;коэффициент передачи цепи положительной обратной связи 40ниро тн о-импульсногомодулятора;.коэффициент передачи входной цепи шиРОтно импульсногомодулятора;коэффициент передачи отрицательнойобратной связи широтно-импульсногомодулятора) приэтом я.о К ФоКю1 л л 9 с).ллОС Кл + с= - О исЯ "и йл, ос 55Активный фильтр 1 для вышеуказанной импульсной последовательности представляет собой сглаживающее звено.Поэ.тому можно считать,что глубина положительной обратной связи активного 60 фильтра 1 также усредняется за один период ее коммутации, в Результате чего величина коэффициента передачи выходного сигнала 3 активного Фильтра 1 по цепи его положительной обратной 65 обратной связи .за один периодкоммутации выпрямителя 22;Т - период следования импульсовширотно-импульсного модулятора 14;о: -- коэффициент, передачи второго 5ч2. )1"8 операционного усилителя 3 вмомент отсутствия управляющего сигнала на выходе широтно-импульсного модулятора;относительная скважность )О(коэффициент заполнения) выходных импульсов широтно-импульсного модулятора, изменякщаяся в диапазоне от нулядо единицы; 15( - нормирующий параметр широтноимпуль сного модулятора.В соответствии с. принятыми обозна. чениями: можно записать следующие выражения, характеризующие с высокой степенью точности динамику работы широтно-импульсного модулятора 14 с однополярной статической характерис- тикой связи может быть определена из следукщего выражения,(л,( оэпос= тч1 лФ 2. т =О-Х 1(г 1где с(- коэфФициенты передачиФильтра 1,и выпрямителя 22по общему контуру цепиположительной обратнойсвязи, при этом5 .6 г. й,Для статического режима работы устройства (при х = сощ 9 выходной сигнал активного фильтра 1 равен сумме двух составляющих=вхХ+с(л 2.:КькХ+)оосЗ (4)где К - коэффициент передачи активного фильтра 1 по цепи, входного сигнала, при Этом5Квх К-С учетом вынепредставленных выражений получаемв Ч= Х= )( (5 эпос " )ч 12 М ) Подставляя в уравненке (5)развернутое выражение для ф, получаемА (2+ (4- 1 л (2) У=) Ьх Х (б)Если принять, что с ( - , 2.Ря.рь 8 то из уравнения (б) окончательно получаемС учетом выражений (2) (7) получаем следующий алгоритм изменения скважиости у выходных импульсов широтно-импульсного модулятора 14(д 1 %Таким образом, для реализации функции (7).скважность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора должна изменяться по алгоритму (8), т.е. она должна быть так" же пропорциональна квадратному корню входного сигнала х, чхо реализуется применением широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, работающего в автоколебательном режиме, как управляемый автогенератор.Если номиналы резисторрв 5, б, 8 и 9 установить такими, что Й: в :4,к е 5 "9то из уравнения (7) окончательно получаем%г,ц"Таким образом, погрешность опера ции извлечения квадратного корня в этом устройстве практически зависит только от точности поддержания требуемых отношений номиналов масштабных резисторов, введенных в обратные 10 связи операционных усилителей, а также от выбранной амплитуды импульсов широтно-импульсного модулятора, Обеспечить стабильность отношения номиналов однотипных резисторов 15 всегда намного проще, чем поддерживать стабильность отношения коэффициентов передачи ключей, параметры могут уходить как в одну, так и в другую нерегулируемые стороны, 20При измерении расхода через перепад давления на сужающем элементе (например, трубка Вентури), когда имеют место технологические пульсации контролируемого параметра, во входной цепи устройства для извлечения квадратного корня, работающего в комплекте с дифманометром, необходимо дополнительно устанавливать электрический демпфер, сглаживающий указанные пульсации. Кроме того, подобного рода демпферы (сглаживающие Фильтры) устанавливаются также с Мелью подавления электрических помех, которые возможны в системах измерения с достаточно протяженными ли- З 5 ниями связи между дифманометрами и устройствами для извлечения квадратного корня, формирующими на выходе информационный сигнал, связанный с измеряемы расходом линейной зави симостью. Применение этих демпферов понижает точность измерения.При использовании этого устройства необходимость введения такого рода демпферов отпадает, поскольку актив ный Фильтр установлен непосредственно во входной цепи и поэтому наряду с основной функцией (выделение средней составляющей ШИИ-сигнала) может также дополнительно выполнять и роль демпфирующего звена с Фиксированной, либо с регулируемой установкой его постоянной времени.Та к им обра зом, п редлож ен н ое у стройство дополнительно дает возможностьповысить точность процесса измерениярасхода в указанных случаях. Техникозкономический эффект заключается вповышении точности преобразования.60Формула изобретения1, Устройство для извлеченияквадратного корня, содержащее актив-, 65 ный фнльтр, выполненный на первомоперациойном усилителе, выход которого, являющийся выходом устройства,через соединенные параллельно первый масштабный резистор и интегри-,рующий конденсатор, соединен с ийвертирующим входом первого операционного усилителя и с первым выводомвторого масштабного резистора, ачерез третий масштабный реэистор -с входом устройства, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в неговведены широтно-импульСный модулятор с однополярной статической характеристикой, однополупериодный выпрямитель, выполненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого соединен с шинойнулевого потенциала, а инвертйрукщийвход соединен с первыми выводами четвертого и пятого масштабных резисторов и через первый коммутирующийдиод - с выходом второго операционного усилителя, подключенного черезвторой коммутирующий диод к второмувыводу пятого масштабного резистораи квторому выводу второго масштабного резистора второй вывод четвер-.того масштабного резистора соединенс выходом первого операционного усилителя и с входом широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, выход которого через дополнительно введенный шестой масштабный резистор соединен с инвертирующим входомвторого операционного усилителя. 2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что широтно-им пульсный модулятор с однополярной. статической характеристикой выполнен на дифференциальном операционном усилителе, выход которого через диодный ограничитель знака выходных импульсов соединен с первым выводом токоэадающего резистора, второй вывод которого, являющийся выходом широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характеристикой, соединен с первым выводом стабилитрона и через инерционное ЯС-звено с инвертирующим входом диФференциаль-. ного операционного усилителя и первым выводом масштабного резистора, второй вывод которого является входом широтно-импульсного модулятора с однополярной статической характе, -ристикой, неинвертирующий вход дифФеренциального операционного усилителя соединен со средним выводом резистивного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены соответственно с втбрым выводом токо; задающего резистора и шиной нулевого потенциала, второй вывод стаби1005082 10 1. Авторское свидетельство СССРР 648994, кл. 6066 7/20, 1979.2. Авторское свидетельство СССРР 525120, кл. 6060 7/20, 1974д.4 лиал ППП Патент, г,ужгород, ул.Прое а литрона соединен с шиной нулевогопотенциала,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертиэе Подпета Сийнаб.,