Квадратор

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ и 993281 Союз СоветскинСоциаттистичеснихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет СССР ав делан нзебретеннй и аткрытийДата опубликования описания 31.01. 83) Авторыизобретен и П. Першенков, Э.К. Шахов, В.А. Юрманов В.А. Блохин и В.П. Шевченко нзенский политехнический инстит) КВАДРАТОР Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполинзовано в аналоговых вычислительныхмашинах, а также для предварительнойобработки переменных сигналов,5Известен квадратор, использующийметод логарифмирования сигналов 1.1.3Недостатком квадраторов, выполненных на основе этого метода, являетсяузкий частотный диапазон и зависимость частотного диапазона от динами .ческого диапазона входного сигнала,.основана на методе кусочно-линейиойаппроксимации. Квадратор содержит вы.прямитель, вход которого являетсявходом квадратора, интегратор, выходкоторого является выходом квадратора,операционный усилитель, выход которо ого соединен с входом интегратора;ре.зистивный:делитель напряжения, крайние выводы которого подключены соответственно к стабилизированному ис-.точнику питания и к шине нулевого потенциала, шесть квадрирующих транзис-. торов, шесть токозадающих резисторов, выход операционного усилителя через резистор обратной связи подключен к: инвертирующему входу операционного усилителя и общей точке соединения коллекторов первого и второго, треть. его и четвертого, пятого и шестого транзисторов, базы которых подключе" ны к соответствующим выводам реэистив ного делителя напряжения, а эмиттеры первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов через соответствующие токозадающие резисторы и через резистор подключены к инвертирующему входу операционного усилителя21.Поскольку данный квадратор основан на методе кусочно-линейной аппроксимации, то.методическая погрешность операции квадрирования будет целиком зависеть от числа и участков аппрокси. мации. При и, стремящемся к бесконеч"ности, методическая погрешность стремится к нулю. Однако при увеличенииучастков аппроксимации существенноусложняется устройство и возрастает инст руме нтальна я по грешност ь, Это с в я зано с необходимостью стабилизации вшироком частотном диапазоне как значений каждого участка аппроксимации,так и их наклона относительно текущих значений входного напряжения. Необходимость нахождения компромисса между методической и инструментальной погрешностями существенно ограничива-.ет точность и частотный диапазон квадратора.Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона квадратора.Поставленная цель достигается тем,что в квадратор, содержащий выпрямитель, вход которого является входомквадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, четыре токоэадающих резистора, четыре квадрирующихтранзистора, причем коллекторы первого и второго квадрирующих транзисторов объединены,. а база третьего ичетвертого квадрирующих транзисторовсоответственно через первый и второйтокозадающие резисторы соединены состабилизированным источником питания,50 кам образцового тока, коллектор третьего квадрирующего транзистора соединен с входом интегратора, коллектор первый вывод третьего токозадающего резистора подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соединен с базой четвертого,квадрирующего транзистора, введены источник опорного напряжения, генератор треугольного напряжения сумматор и два источника образцового тока, причем входы 4 О сумматора подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выводом четвертого токозадающего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход операционного усилителя соединен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры первого и третьего, второго и четвертого квадрирующих транзисторов объединены и подключены соответственно к первому и второму источни 55 четвертого квадрирующего транзисторасоединен с шиной нулевого потенциала.На фиг. 1 приведена блок-схема .квадратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,Квадратор содержит выпрямитель 1,операционный усилитель (ОУ) 2, источник 3 опорного напряжения (ИОН), генератор треугольного напряжения (ГНТ)сумматор 5, квадрирующие транзисторы 6-9, источники 10 и 11 образцового тока (ИОТ), токозадающие резисторы 12- 15, стабилизированный источник 16 питания, интегратор 17,Вход выпрямителя 1 соединен с входом квадратора, а выход его подключенк инвертирующему входу ОУ 2, неинвертирующий вход коорого соединен непосредственно с коллекторами первого 6и второго 7 транзисторов и через четвертый токозадающий резистор 14 с выходом сумматора,5, один из входов которого подключен к выходу ГТН Й, адругой - к выходу ИОН 3. Выход ОУ 2соединен с базами первого 6 и второго7 транзисторов. Змиттеры первого 6 итретьего 8 транзисторов соединеныс выходом первого ИОТ 10, а эмиттерывторого 7 и четвертого 9 квадрирующихтранзисторов соединены с выходом второго ИОТ 11, База третьего транзистора 8 через первый токозадающий резистор 12 и через второй токозадающийрезистор 13 соединена с базой четвертого транзистора 9, а через третийтокозадающий резистор 15 - с общейшиной устройства. База четвертоготранзистора 9 через резистор 13 связана с выходом стабилизированного ис.точника 16 питания, Коллектор третьего 8 квадрирующего транзистора подключен к входу интегратора 17, а коллектор четвертого транзистора 9 соединен с общей шиной устройства,Квадратор работает следующим образом,Работа квадратора основана на методе кусочно-линейной аппроксимации.Точность квадратирования данного устройства не зависит от количестваучастков аппроксимации. Это достигается путем квадратичного выпрямлениясуммы входного и вспомогательногосигналов треугольной формы. Квадратор имеет всего два участка аппроксимации (фиг. 2)0 при ОЧх 0,51 Н2 Щ 1 при 0,5(Ух 1,5 уФормула изобретения9932где Чх - входное напряжение квадратора; к - коэффициент пропорциональности; 3 н - ток через третий квадрирующий транзистор 8, Амплитуда напряжения Ч треугольной формы принята за 1. 5В соответствии с этим протяженностьучастков аппроксимации также равна0,5 и 1 соответственно.Пусть в первоначальный момент входной сигнал равен нулю. 8 результате 10напряжение на неинвертирующем входеоперационного усилителя 2 тоже равнанулю. В этом случае транзисторы 6 и7 открыты и токи 3 О, и 30 полнОстьюпротекают через указанные транзисторы 15и создают падение напряжения Чп начетвертом токозадающем резисторе 14.Значение опорного напряжения Ч источника 3 опорного напряжения задается равным по значению Ч и противопо- рзиложным по знаку. Стабилизированныйисточник 16 напряжения и токозадающие резисторы 12 и 15 создают необходимое смещение на базах транзисторов 8 и 9Пусть измеряемый сигнал имеет зна. 25чение О , (фиг, 2) и не успевает существенно измениться за период напряжения О треугольной формы, Покажем,что среднее за период Тт сигнала треугольной формы напряжение О равно зОх. Запишем уравнение баланса напря 2жений для точки А схемы квадратораЧ 0 п -(3 3)В +0-/Ох(с) /=О,где 36 и 3 - токи через квадрирующие транзисторы 6 и 7 соответственно. з 5Отсюда видно, что.любое изменениеО(й) приведет к изменению значенийтоков 3 ь и 3 , протекающих через резистор В . Это осуществляется путемперераспределения токов 3и 3 через 40транзисторы 6, 8 и 7, 9 соответственно. При изменении входного напряженияот 0 до 0,5 ток 3 1 перераспределяетсямежду транзисторами 7 и 9 в соответствии с .формой изменения ОХ(й) и при 45ОХ=0,5 ток 3-.1 полностью протекаетчерез транзистор 9. Аналогично перераспределяется, ток 3, через транзисторы 6 и 8 при изменении входного напряжения от 0,5 до 1,5 59Найдем значение напряжения на ин-.теграторе 17 за период Тт напряжениятреугольной формыС 20 = ЗиИ) д= - 3 Ь)Ю=М. 1(ЬыХ Т и Т ит 12 1 0ИсР 81егде 3 йср среднее значение тока за интервал времени й-й 1. Выразив 3 и,2 1и через значение входного на.2 пряжения ОХ 1ОВЬ О Х 1 Из вышесказанного видно, что методическая погрешность квадратирования не зависит от числа участков аппроксимации, а связана только с соотношением пеРиоДов Тх вхоДного сигнала и Тт сигнала треугольной формы. При отноХшенин - , стремящемся к бесконечносТтти, методическая погрешность стремится к нулю. Инструментальная погрешность квадратора зависит от стабильности амплитуды генератора 1 треуголь" ной формы и стабильности источников 10 и 11 образцового тока, задающих границы участков аппроксимации. По-; скольку источники 1 О и 11 образцового тока работают в статическом режиме, задача обеспечения их необходимой ста.бильности не вызывает затруднений. Линейность аппроксимьфующей функции и частотный диапазон квадратора будут определяться только параметрами операционного усилителя 2, а именно коэффициентом усиления и полосой про пускания. Современные операционные усилители имеют коэффициент усиления в несколько десятков .тысяч и полосу пропускания в несколько мегагерц, что. вполне достаточно для обеспечения погрешности нелинейности функции аппро. ксимации на уровне сотых долей процента и частотного диапазона квадратора в. несколько сотен килогерц.Технико-экономический эффект заключается в получении квадратора большей точности и с более широким частот. ным диапазоном. Квадратор, содержащий выпрямитель, вход которого является, входом квадратора, интегратор, выход которого является выходом квадратора, операционный усилитель, четыре токозадающих резистора, четыре квадрирующих транзистора, причем коллекторы первого и второго квадрирующих транзисторов объединены, а базы третьего и четверто- го квадрирующих транзисторов соответственно через первый и второй токозадающие резисторы соединены со стабилизированным источником питания, пер 993281вый вывод третьего токозадающего резистора.подключен к шине нулевого потенциала, а его второй вывод соединенс базой четвертого квадрирующего тран.зистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, 5что, с целью повышения точности ирасширения частотного диапазона, внего введены источник опорного напряжения, генератор треугольного напряжения, сумматор и два источника образ.1 Оцового тока, причем входы сумматораподключены соответственно к выходуисточника опорного напряжения и генератора треугольного напряжения, а выход сумматора соединен с первым выводом четвертого токозадающего резисторы, второЙ вывод которого соединен снеинвертирующим входом операционногоусилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя, а 20выход операционного усилителя соединен с базами первого и второго квадрирующих транзисторов, эмиттеры первого и третьего, второго и четвертого квадрирующих транзисторов объединены .и подключены соответственно к пер-.вому и второму источникам образцовоготока, коллектор третьего квадрирующего транзистора соединен с входом интегратора, коллектор четвертого квадрирующего транзистора соединен с шиной нулевого потенциалаИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Шило В.Л. Линейные интегральныесхемы. И., "Советское радио", 1979,с, 179.2. Алексеенко А,Г Коломбет Е.А.,Стародуб Т,И. Применение прецизионных аналоговых ИС. И., "Радио и связь",1981, с. 111- 112, рис, 3.32 б (прототип).993281 Составитель 8. Жирновактор В, Петраш Техред И; Гайду Корректор М. Ша иал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,аказ 480/66 ВНИИ и 113035Тираж 704И Государственного к делаи изобретений иМосква, 3-35, Рауас Подписноеиитета СССРОТКРЫТИЙая наб., д,