Квадратор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК П 9) ПИ ц 511 0 06 0 7/20 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЬИИЧ;%Я(71) Пензенский филиал Всесоюзного научно-исследовательского технического института приборостроения(56) 1. Мартяшин А.И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения, М., "Энергия", 1976, с.175-177.2. Авторское свидетельство СССР ф 643907 ю кл. 0 06 0 7/20, 1979 (прототип).(54)(57) КВАДРАТОР, содержащий источники разнополярного образцового наряжения, выходы которых подключены к входам первого переключателя, интегрирующий блок, содержащий интегрирующий конденсатор и операционный усилитель, инвертирующий вход которого через пврвый масштабный резистор подключен к входу квадратора, а через второй масштабный реэистор - к первому выходу первого переключателя, выход операционного усилителя интегрирующего блока подключен к входу нуль-органа, неинвертирующийвход операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения его точности, первыйпереключатель выполнен сдвоенным,а в квадратор введены образцовыйнакопительный конденсатор, двухпоэиционный ключ, второй сдвоенный переключатель и формирователь импульсов,через который выход нуль-органа подключен к управляющим входам первогои второго сдвоенных переключателейи двухпозиционного ключа, перваяобкладка образцового накопительного.конденсатора подключена к шине нулевого потенциала, его вторая обкладкачерез двухпозиционный ключ подключена соответственно к второму выходупервого сдвоенного переключателяк инвертирующему входу операционно-го усилителя, а обкладка интегрирующего конденсатора через соответствующие контакты второго сдвоенногопереключателя включены между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход Формирователяимпульсов является выходом квадратора.Изобретение относится к вычислительной технике,Известен квадратор с частотнымвыходом, содержащий блок интегрирования на основе операционного усилителя с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, нуль-орган,переключатель источники образцовыхнапряжений 1Недостатком данного устройстваявляется низкая точность, 10Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсякнадратор, содержащий блок интегриронания на основе конденсатора,включенного в цепь отрицательнойобратной связи операционного усилителя, неинвертирующий вход которогосоединен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий - с общим выводом двух резисторов, первый из которых подключен к входу квадратора,а второй через переключатель - кисточникам образцовых напряжений,причем управляющий вход переключателя соединен с выходом квадратора ивыходом блока задержки, состоящегоиз генератора образцовой частоты,соединенного с первым входом сеЛектора периода, второй вход которогосоединен с выходом нуль-органа, авход последнего подключен к выходублока интегрирования 2 .Точность преобразования в известном квадраторе определяется точностью формирования образцового напряжения и времени Тд, Формируемого 35блоком задержки. Обеспечение высокиххарактеристик источников образцового напряжения не представляет трудностей.Однако при формировании высокоста Обильного образцового интервала времени То возникают технические трудности, нызванные тем, что момент срабатывания нуль-органа невозможносинхронизировать с фронтом очередно"45го импульса генератора образцовойчастоты, что снижает точность работыизвестного устройства.Целью изобретения является повышение точности.Поставленная цель достигаетсятем, что в квадраторе, содержащем,источники раэнополярного образцовогонапряжения, ныходы которых подключе 1ны к входам первого переключателя,интегрирующий блок, содержащий интег 55рирующий конденсатор и операционныйусилитель, инвертирующий вход которого через первый масштабный резистор подключен к входу квадратора, ачерез второй масштабный резистор - 6 Ок первому выходу первого переключателя, выход операционного усилителяинтегрирующего блока подключен квходу нуль-органа, неиннертирующийвход операционного усилителя подклю чен к шине нулевого потенциала, первый переключатель выполнен сц:-оенным,а н квадратор введены образцовый накопительный конденсатор, днухпозиционный ключ, второй сдвоенный переключатель и формирователь импульсов,через который выход нуль-органа подключен к управляющим входам первого ивторого сдвоенных переключателей и двухпозиционного ключа, первая обкладка образцового накопительного конденсатора подключена к шине нулевогопотенциала, его вторая обкладка через двухпозиционный ключ подключена соответственно к второму выходу первого сдвоенного переключателя и к инвертирующему входу операционного усилителя, а обкладки интегрирующегоконденсатора через соответствующие .контакты второго сдвоенного переключателя включены между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход формирователя импульсон является выходом кнадратора.На фиг, 1 предстанлена функциональная схема предлагаемого квадратора; на Фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу кнадратора.Квадратор содержит интегрирующий блок, состоящий из интегрирующего конденсатора 2, операционного усилителя 3, неинвертирующий вход которого соецинен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход через первый масштабный резистор 4 подключен к входу квадратора и через последовательно соединенные второй масштабный резистор 5 и первый сдвоенный переключатель б к источникам 7 и 8 раэнополярного образцового напряжения, а выход соединен с входом нуль-органа 9, Формирователь 10 импульсов, второй сдвоенный переключатель 11, двухпозиционный ключ 12 и образцовый накопительный конденсатор 13, подключенный одной обкладкой к шине нуленого потенциала, а другой - к входу двухпозиционного ключа 12, первый выход которого соединен с выходом переключателя б, второй вывод - с инвертирующим входом операционного усилителя 3, н цепь отрицательной обратной связи которого через второй сдвоенный переключатель 11 включен интегрирующий конденсатор 2, причем управляющие входы переключателей б и 11 и ключа 12 соединены с выходом формирователя 10 импульсов, вход которого подключен к выходу нуль-органа 9. Позициями 13 и 14 обозначены соответственно вход и выход квадратора.Временные диагражпы (фиг. 2 содержат а - входное напряжение кнадратора; 6 - форма напряжения на образцовом конденсаторе 13- Форма напряжения на выходе интегрирующего блока 1;- сигнал на выходе нуль 1084824органа 9;- сигнал на выходе формирователя 10 импульсов; е - форманапряжения на выходе 15 переключателя б; Ж - форма напряжения на выходе 16 переключателя б.Квадратор работает следующим образом,Переключатели б и 11 и кзпоч 12находятся первоначально в положении,указанном на фиг. 1. На вход устройства подано положительное входное напряжения 0 х фиг. 2,а) , а навыходе 15 переключателя б присутствует отрицательное образцовое напряжение - Оо фиг. 2,6), и в моментвремени 1,ф линейно возрастающее до 15этого гломента со скоростью (Оо - цх)/С= ВС - постоянная времениинтегрирующего блока 1; В = 84 = Й -сопротивление резисторов 4 и 5;С - емкость конденсатора 2) выходноенапряжение интегрирующего блока 1цостигает нуля фиг. 2,6) , При указанных знаках напряжений 0 ивьюходное напряжение блока 1 до моментавремени 1 л изменяется по линейномузакону так как оба напряженияпредполагаются постоянными)"х-"о 0 -0где 1 - текущее время. 30Следовательно, скорость егоизменения до момента времени 1 опре.деляется выражениегл ),Оо - Ок) /После момента времени 1 до моментавремени 1 выходное напряжение блока 1 изменяется по иному, более сложному закону, а следовательно, и скорость его изменения будет иной, отличной от приведенного выражения.В связи в тем, что точка 1 на оси Д 0времени (фиг. 2,Ь) является точкой,слева и справа от которой функцииизменения выходного напряжения интегрирующего блока 1 различны, следовательно, в момент времени 1, производ-,5ная от этой функции не определена, азначит нельзя гсворить о скоростиизменения выходного напряжения блока ц1 в момент времени 1, . До этого момента времени и после- него эта скорость имеет вполне конкретные выражения,В момент времени 1 г выходное напряжение блока 1 достигает нуля(фиг, 2,Ц), что вызывает срабатывание нуль-органа 9, сигналом которогозапускается формирователь 10 импульсов. Образцовый конденсатор 13 первоначально подключен через двухпозиционный ключ 12 и переключатель б квыходу источника 7 положительного б 0образцового напряжения, вследствиечего он к моменту времени 1 окажется заряженным практически до напряжения + Цо, имея заряд Я, ="оСоСо - емкость образцового конденса тора 13) . В момент времени 1 г по переднему фронту импульсов фиг. 2,) с выхода формирователя 10 импульсов изменяют свое состояние на противоположное переключатель б и двухпозиционный ключ 12, а переключатель 11 сотается в прежнем положении. В результате на выходе 15 переключателя б появится положительное образцовое напряжение + Ц, а на выходе 16- соответственно - 0 о . Одновременно переключается двухпозиционный ключ 12, с помощью которого в течение интервала времени 1 -1 =То образцовый конденстаор 13 нижней фиг. 1) обкладкой оказывается подключенным в суммирующую точку усилителя 3Поскольку потенциал суммирующей точки в силу наличия отрицательной 100-ной обратной связи операционного усилителя 3 через конденсатор 2 оказывается близким к потенциалу неинвертирующего входа усилителя 3, т.е. потенциалу общей шины, то при подключении нижней обкладки образцового конденсатора 13 к этой точке создается предпосылка разряда последнего. При подлежащем выборе номиналов резисторов 4 и 5 и усилителя 3 с малым входным током практически весь заряд ОоСо с образцового конденсатора 13 перепишется на конденсатор 2. Одновременно конденсатор 2 заряжается током, обусловленным суммой входного сигнала .0 Х и образцового напряжения + "о)о+ОХС 2 1Таким образом, конденсаторУ 2,в течение интервала времени То, длительность которого выбирается, исходя из условия переписи заряда с конденсатора 13 на конденсатор 2, с погрешностью, не превышающей заданной, сообщен суммарный заряд)оСо д оПо окончании интервала времени Т в момент времени 1 сигналом с формирователя 10 импульсов двухпозиционный ключ 12 возвращается в исходное положение, переключатель 11 переходит в противоположное на фиг. 1 положение, а переключатель б остается в прежнем положении. За счет срабатывания переключателя 11 конденсатор 2 как бы переворачивается, т.е., если до момента времени 1 его правая фиг, 1) обкладка имела отрицательный потенциал, то теперь она имеет положительный потенциал с сохранени- . ем его абсолютного значения, а следовательно, полярность выходного напряжения усилителя 3 практически скачком изменится на противоположную. Одновременно происходит и инверсия заряда Я, т,е.=- с. 2)Поскольку заряд, которь.й накоплен на конденсаторе 2 эа интервал времени То (с учетом инверсии), равен заряду , который списан с того же конденсатора н течение интервала 20 времени Т -То (фиг, 4,б , то можно записать следующее выражение баланса зарядов эа интервал времени Т (баланс зарядов заключается н том, что вначале конденсатор 2 за время Т 25 заряжен от нуля до некоторого напряжения, а затем эа время Т 4-То разряжен вновь до нуля или с учетом (,2) и (,3)Выражение для интервала времениТ следующее; Г (4)4 О 0, йт,-. -Оо В В момент времени тз вновь сработал нуль-орган 9, сигналом которого запускается формирователь 10 импульсов, по переднему фронту импульса с которого срабатывают переключатель б и двухпозиционный ключ 12, а перек" лючатель 11 остается в прежнем поло" женин. В результате конденсатор 13, уже получивший теперь заряд ), =-ОоС, 5 О подключается вновь к суммирУющей точке, а на выходе 18 переключателя б появляется отрицательное образцовое напряжение - Оо . Далее происходят процессы, аналогичные описанным, с 55 той лишь разницей, что картина изме нения выходного напряжения интегрирующего блока 1 зеркально отражена относительно оси времени (фиг. 4, Ц), поскольку конденсатору 13 сообщен 60 заряд прбтивоположного знака, и образцовое напряжение на выходе 2 переключателя б также имеет другой знак. В результате конденсатору 2 за интерНачиная с момента нремени 1, конденсатор 13 заряжается образцовым напряжением - Цо от источника 8 образцового напряжения, а конденсатор 2 - током с 1 в соответствии с выражением 1), В результате выходное напряжение блока 1 линейно убывает со скоростью - ( Оо + Мк)/ достигая нуля в момент времени 3 . Последнее вновь вызывает срабатывание нуль- органа 9. В течение интервала време О ни 1 -1=Т 1-То (фиг, 2) с конденсатора 2 спишется заряд(3а).15 нал времени 1 -1 =Та собщен суммарный заряд 0ЦСо -- " та,4 О о о 0По окончании интервала времени Та в момент временисигналом с формирователя 10 импульсов двухпозиционный ключ 12 вознращается вновь в исходное положение, переключатель 11 также возвращается в исходное положение, а переключатель б остается в прежнем состоянии. Вновь происходят процессы, аналогичные описанным, с учетом указанной разницы. Инверсный заряд н момент времени 1 на конденсаторе 2 следующий:"оофВыходное напряжение блока 1 с момента времени 14 теперь уже линейно возрастает со скоростью -(0 к - Ц) /:= (Оо - Ох ) /ь и в момент нремейи достигнет нуля, В течение интервала времени 1 - 1 Ф =Т -ТО (фиг. 2) с конденсатора 2 списан зарядОх-"о (б)" (т,-то).Тогда уравнение баланса зарядовза интервал времени Т О = 6 имеетс учетом (5) и (б) вид- ."о 0- О,Со -- т,: Выражение для интервала времениТ следующее:а (7)Око Оо-ПВ момент времени е выходное напряжение интегрирующего блока 1 достигло нуля, далее цикл работы устройства повторится с периодом1,-, =Т + Т = Т,Тогда частота следования импульсов на выходе устройствао х (8 )о хЙ 1 а СоКак следует из 8), в функциюпреобразования предлагаемого устройства вообще не входит интервал времени То следовательно прямая иликосвенная нестабильность (как этоимеет место в известном устройствеи где ее принципиально невозможноизбежать) его формирования ие влияет на точность преобразования. Погрешность от входящих н функцию преоб.раэонания номинальных значений величин Цо, С и К определяется лишь ихпрямой нестабильностью и может бытьдоведена до весьма малых значений,Технико-экономическая эффективность предлагаемого квадратора заклю-,чается в повышении точности.