Развертывающий операционный усилитель

(51) 4 С 06 6 7/12 САНИЕ ИЗОБРЕТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ К п о ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(46) 30.09.86, Бюл. У 36(71) Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Л,И,Цытович, Е.П.Федоров и В.Г.Гальвас(56) Авторское свидетельство СССР 9 798876, кл. С 06 С 7/12, 1979,Авторское свидетельство СССР В 1183988, кл, С 06 й 7/12, 1984.(57) Предлагаемый усилитель относится к усилительным устройствам с широтно-импульсным преобразователем сигнала. Цель изобретения - повышение достоверности диагностирования. Развертывающий операционный усилитель содержит соединенные последовательно первый сумматор и интегратор выход интегратора соединен с первымн .входами группы релейных блоков, причем число релейных блоков в гру - пе нечетное, выходы релейных блоков подключены к входам второго сумматора, сигнал с выхода которого ив ступает на первый вход первого сум" матора, второй вход которого является входом развертывающего операционного усилителя, выход генератора импульсов подключен ко вторым вхо-. дам релейных блоков, выход второго сумматора является выходом усилителя и подключен ко входу релейного элемента, сигнал которого воздействует на цепь из соединенных последова- сФ тельно делителя частоты, пропорционально-диюференцирующего элемента и выпрямителя, Развертывающий операционный усилитель характеризуется более высокой степенью достоверности диагностирования, достигаемой за счет непрерывного контроля работоспособности релейных блоков, 7 ил.Изобретение относится к усилительным устройствам с широтно-им" пульсным преобразованием сигнала и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах.Цель изобретения - повышение достоверности диагностированияИа фиг. 1 изображена функциональная схема развертывающего операционного усилителя (РОУ), на фиг 2 - функциональная схема релейного блока, вариант, на фиг. 3-7 - временные диаграммы сигналов.РОУ содержит первый 1 и второй 2 сумматоры, интегратор 3, группу релейных блоков 4-1,4-24-(п), 4-п, генератор 5 импульсов, релейный элемент 6, делитель 7 частоты, пропорционально-дифференцирующий элемент 8, выпрямитель 9, вход 10, выход 11, дополнительный выход 12 РОУ, ОУ 13, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 масштабные резисторы, первый 18 и второй 19 входы релейного блока и выход 20,На фиг, 3-7 приняты обозначения: Х - сигнал на входе 1 О; У(й) сигнал на выходе интегратора 3; Ур, (С), Ур (1), У о (й) - выходные сигналы первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков, У (С) сигнал на выходе 11, Ур (С) - выходной сигнал релейного элемента б,(1) - выходной сигнал генератора г5 импульсов, У(1) " выходногя сигнал делителя 7 частоты, У, (г.) - сигнал на выходе пропорционально-дифференцирующего элемента 8, Уц (г.) - сигнал на выходе 12 ф 81 - пороги переключения релейных блоков 4-1,4-24-п фС - пороги переключения релейного элемента 6.Первый 1 и второй 2 сумматоры имеют единичный коэффициент передачи. Релейные блоки 4-14-п имеют симметричные относительно нуля пороги переключения и неинвертирующую петлю гистерезиса, Выходной сигнал их меняется дискретно в пределах 1 А/и (где и - число релейных блоков).Генератор 5 импульсов формирует импульсы малой длительности с интервалом дискретизации Т и со средним нуевым значением, Релейные блоки 4-1, ,4-и принудительно изменяют свое состояние при наличии сигнала на втором входе, Делитель 7 частоты имеет55 5 10 5 20 25 30 35 40 45 50 коэффициент деления 2 и формирует на выходе сигнал типа меандр.РОУ работает следующим образом,РОУ представляет собой многозонную частотно-широтно-импульсную систему, работающую в режиме устойчивых автоколебаний.Рассмотрим переходный процесс при включении и нулевом уровне сигнала на входе, 10. При этом допустим, что, число и =3 иВ, сВ, с 1 В), где8 ф В, + В- пороги переключения релейных блоков 4-1,4-2 и 4-3 соответственно. Предположим, что в момент времени Й=О включения сигналы на выходах релейных блоков 4-1,4-2,4-3 устанавливаются в состояния А/3 (фиг, 33,1,2). Род действием результирующего импульса У =А (фиг.Зд) сигнал на выходе интегратора 3 изменяется в отрицательном направлении (фиг. За), В момент времени й (фиг. 3 а,3 ) происходит переключение первого релейного блока 4-1 (фиг.35), что обусловливает уменьшение амплитуды сигнала на выходе 11 до уровня А/3 (фиг. ЗД) и снижение скорости изменения выходного сигнала интегра-тора 3 (фиг. За).В момент времени й (фиг, Зо)переключается второй релейный блок 4-2 (фиг, 36), что приводит к изменению знака сигнала на выходе 11 (фиг.ЗД) Сигнал на выходе интегратора 3 начинает нарастать в положительном направлении (фиг. За) до момента времени выполнения условия .Уц(1)=8 .В дальнейшем процесс периодически повторяется Каскад, образованный первым сумматором 1, интегратором 3, первым релейным блоком 4"1 и вторым сумматором 2, находится в режиме автоколебаний, а второй и третий релейные блоки 4-2 и 4-3 - в противоположных состояниях (фиг. 33,у), что обусловливает взаимную компенсацию их выходных напряжений. В результате на выходе 11 формируются импульсы с амплитудой А/3 (первая модуляпионная зона) и средним нулевымзначением, показанным на фиг. ЗА. Наличие нг входе 10 сигнала А/З Х(й) ) 0 (фиг. 4 а) обусловливает изменение скважности импульсов на вы- . ходе первого релейного блока 4-1 (фиг. 4 ь) и выходе 11 (фиг. 4 е), В один из полуциклов развертывающего преобразования темп изменения раз3 2609вертки определяется суммой сигналовна входах первого сумматора 1 (фиг,4 ае), а в последующем цикле преобразования - разностью этих сигналов, Врезультате среднее значение импульсов на выходе 11 достигает за периодавтоколебаний величины, пропорциональной уровню сигнала на входе 10(фиг. 4 е 1.Предположим, что в момент времени , сигнал на входе 10 изменил свойзнак, а его амплитуда лежит в пределах -41 Х 41 - -(Лиг, 4 а),А3В этом случае выходной сигнал интег.ратора 3 (Фиг4 о) продолжает нарастать в положительном направлении,что в момент времени С, приводит кпереключению второго релейного блока4-2 в состояние А/3 (фиг. 43,). 20Это обеспечивает переход во вторую модуляционную зону, ограниченнуюдиапазоном (фиг. 46).25В пределах указанной зоны среднеезначение сигнала на выходе 11 такжесохраняется пропорциональным уровнюсигнала на входе 10,30Рассмотрим режимы работы при неработоспособности одного из его репейных блоков 4-1. 4-п, Предположим,что в момент времени С (Фиг, 5 в)неисправен первый релейный блок 4-1,35а его выходной сигнал находится вФиксированном положении А/3 (фиг.56,пунктир)Тогда при А/3Х(й)0 (Фиг, 5 а) выходной сигнал интегратора 3 нарастает в положительном направлении, пока не достигнет величины В(фиг.51), При этом в момент времени г.,третий релейный блок 4-3 переключается в состояние А/3 (фиг, 5 Д), а амплитуда сигнала на выходе 11 увеличивает- ся до максимального значения А(фиг. 5 е), В интервале 1,3 ййи (фиг. 5 В,г,А) сигнал на выходе интегратора 3 изменяется в отрицатель ном направлении, что в момент времени 1 приводит к изменению знака импульса на выходе второго релейного блока 4-2 (фиг. 5). В интервале 1 1 Ъ йп выходной сигнал интегра тора 3 продолжает изменяться в направлении -В 5 порога переключения третьего релейного блока 4-3 (фиг.5 В). 7 4При У(й) =-Взнак импульса на выходе третьего релейного блока 4,3 становится отрицательным (Фиг, 51,ь), что обусловливает изменение знака на выходе 11 (фиг. 58)аНа этом процесс переориентации релейных блоков, вызванный неработоспособностью первого релейного блока 4-1,заканчивается, В режим автоколебаний входит тракт, состоящий из первого сумматора 1, интегратора 3, второго релейного блока 4-2 и второго сумматора 2 (Фиг, 5е), а первый и третий репейные блоки 4-1 и 4-3 находятся в противоположных состояниях (Фиг5 ь, ).Предположим, что в момент времени С(Фиг,5 а) сигнал на выходе 11 увеличился до значенияА3- (Х(С) (А.В исправном устройстве это должновызвать переход сигнала на выходе11 во вторую модуляционную зону, Однако в рамках рассматриваемой ситуации несмотря на изменение этого сигнала на выходе второго релейного блока 4-2 (фиг. 5 1,) результчрующаяамплитуда выходного напряжения равна -А/3 (Фиг, 5 Е), а знак сигналана выходе первого сумматора 1 сохраняется положительным,Данная ситуация противоречит условию существования режима автоколебаний, и выходной сигнал интегратора3 достигает эоны насыщения его статической характеристики (фиг, 51).В результате в интервале времени Т(фиг. 5 е) устройство Функционируетв режиме усилителя-ограничителя амплитуды выходного сигнала,1.,Допустим, что в момент времени1 (фига 5 а) сигнал на входе РОУ изменился дискретно до уровня- ) Х(й -А.А3Тогда РОУ вновь входит в режим устойчивых автоколебаний вследствиеапереориентации третьего релейного блока 4-3 в состояние А/3 (фиг. 5 Д), которое аналогично состоянию неисправного первого релейного блока 4 т 1 (фиг. 56). Как видно из диаграмм сигналов на фиг. 5, в указанном диапазоне изменения входного сигнала неисправность в трактах релейных бло126( 1975 Ьствия импульса У.(1) (Фиг. бг), При этом процесс отработки ноэмупаю 1 цего тестового воздействия У,.(11 заканчивается, первый релейный блок 4- находится в режиме автоколебаний, а кон не отражается ца мплитудной функции преобраовация, однако ведет к изменение модуля 1 пюцной характеристики ,зависимости частоты авто- колебаний от амплитуды входного сигнала) .На выходе генератора 5 импульсов формируется сигнал У,(1) с периодом Т(фиг, 68), который значительно в 5-10 раз) превосходит период ав токолебаний.Рассмотрим работу н режиме непрерывной тестовой проверки работоспособности его релейных блоков 4-1, 4- , Пусть принудительноеереклю чение релейных блоков 4-14- И выходным сигналом генератора 5 импульсов происходит при условии несовпадения знаков воздействий У(й) и У р, (1) ф У р (1) в20Предположим, что все релейные блоки исправны, а входной сигнал находится в пределах первой модуляци.онной зоны (фиг, ба). Тогда в режиме автоколебаний находится тракт из 25 первого сумматора 1, интегратора 3 первого релейного блока 4-1 и второго сумматора 2, а второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки имеют противоположные по знаку выходного сиг- ЗО нала состояния (фиг. 6,А), В момент времени й , (фиг, 68) на выходе генератора 5 импульсов формируется импульс положительной полярности, под действием которого первый 4-1 и третий 4-3 релейные блоки (фиг, 66,) принудительно переключаются в сос тояние А/3 Это приводит к формированию на выходе 11 импульса максимальной амплитуды (фиг. бе). В интервале 10 1,с й с Со, выходнои сигнал интегратора 4 нарастает в отрицательном направлении.(фиг. 60) и в момент времени йо 1 вызывает переключение второго релейного блока 4-2 (фиг. 6),. 45 Это обусловливает уменьшение ампли.туды сигнала на выходе 11 до величи"ны А/3 (фиг. бд). За время 1, -1 развертка У (й) продолжает изменяться в направлении -В(фиг. бц), и начиная с момента времени йо, когда У(й)= А/3 .(фиг, бд), знак импульса на выходе 11 становится отрицательным (фиг,бг). Это приводит к нарастанию сигнала .развертки до величины В(фиг. ба), второй релейный блок 4-2 переключа. ется в исходное состояние до воздейвторой 4-2 и третий 4-3 релейные блоки - в статическом режиме,При воздействии сигнала У,-(С) отрицательной полярности (фиг, бо, момент времени й) происходит принудительное переключение второго релейного блока 4.2 в состояние -А/3 (фиг. 6 2). В результате на выходе 11 формируется всплеск напряжения(фиг. бе), являющийся результатом перехода всех релейных блоков в идентичное по их выходам состояние, В интервале й-С,ц происходит переориентация второго релейного блока 4-2 висходное состояние А/3 (фиг. ба, г )которое обеспечивает работу в первоймодуляционной зоне (фиг, бе). С момента времени ,1(фиг. 6 Б) рассмотренные процессы йовторяются (фиг,бОе). Таким образом, с помощью генератора 5 импульсов в выходном сигналеформируются тестовые всплески напряжения, существование которых возможно только при условии исправного состояния всех репейных блоков 4-1 4 ОРелейный элемент 6 имеет пороги1переключенияС (фиг, бе), величина которых соответствует половине максимальной модуляционной зоны. Переключение релейного элемента 6 осуще" ствляется с помощью всплесков сигнала на выходе 11 (фиг. бе,ж), формируемых под действием выходного сигнала генератора 5 импульсов (фиг.бо).С помощью делителя частоты 7 формируется сигнал со средним нулевым значением, который разделяется по постоянной составляющей с помощью пропорционально-дифференцирующего элемента 8, Затем напряжение выпрямляетсяи при необходимости фильтруется. Таким образом, формируется сигнал "1",свидетельствующии о работоспособности развертывающего операционногоусилителя. Рассмотрим работу, когда сигнал на входе 10 соответствует третьей модуляционной зоне (фиг. ). В исходном состоянии первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятсяв состоянии А/3 (фиг. 76,1,д) и сигнал на выходе 12 имеет максималь"975 Я ментах. ля. 1 1260 ный уровень А (фиг. Р) . В данной ситуации воздействие на первый 4-1, второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки импульса У,.(й) положительной полярности не вызывает изменения их состояний (фиг. 71, момент. временипунктир). В момент времени )=) дц, когда У, (С) (О (фиг, 78),происходит перевод первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков О н состояние -А/3 (фиг. 7 3) и на выходе 11 формируется импульс отрицательной полярности (фиг. 76) . Развертка (фиг, а) нарастает н положи. тельном направлении, вызывая н момен ты времени ) 1 , )6(фиг, 73,1, ) последовательный переход первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 релейных блоков, в состояние А/3 и возврат сигнала на выходе 11 н требуе мую модуляционную зону .(фиг. 7 В).В дальнейшем, если знак выходного сигнала первого релейного блока 4-1 отрицательный, то возможен режим принудительного переключения перво го релейного блока 4-1 импульсом У Г(й) положительной полярности(фиг. 76, в, момент времени ) ), Однако, это не вызывает формирования на выходе 11 тестового всплеска 30 Ущ(=-А, так как второй 4-2 и третий 4-3 релейные блоки находятся в состоянии А/3 (фиг. 7 ъ,). Последующая тестовая проверка исправного состояния релейных блоков наступает в момент времечи )(фиг, 78-8).При неработоспособности хотя бы одного из релейных блоков амплитуда тестового импульса соответствующей полярности на выходе 11 уменьшается на величину одной модуляционной зоны. В результате У ( С и релейный элемент 6 переходит н статическое состояние. Поэтому делительчастоты также переходит в статическое состояние,а сигнална допол- нительном выходе 12 уменьшается до .нуля, что свидетельствует о наличии неисправности.Генератор импульсов 5 обеспечивает контроль состояния только релейных блоков 4-1, 4-24- Ь и не обеспечивает контроля состояния первогосумматора 1 и интегратора 3.Первый сумматор 1 и интегратор 3необходимо выполнять на пассивныхэлементах, обладающих более высокойнадежностью, При реализации этих блокон на активных компонентах ампли" туда выходного сигнала генератора 5, ийпульсов должна быть меньше зоны насыщения статической характеристики активного элемента - операционного усилителя.В этом случае, если, например, генератор 3 неисправен, то его выходной сигнал принимает одно из максимальных значений под действием которого релейные блоки 4-1,4-24-И принудительно удерживаются н статическом состоянии.Учитывая, что амплитуда выходного сигнала генератора 5 импульсов меньше зоны насьпцения операционного усилителя, исключается переключение релейлых блоков за счет выходного сигнала генератора 5 импульсов.Пропорционально-дифференцирующий элемент 8 и выпрямитель 9 должны быть выполнены только на пассивных элеТаким образом, предлагаемый РОУ характеризуется более высокой достоверностью диагностирования Формула изобретения Развертывающий операционный усилитель, содержащий соединенные последовательно первый сумматор и интегратор, выход которого подключен к первым входам релейных блоков группы, число которых в группе - нечетное, выходы релейных блоков группы подключены к входам второго суммато-, ра, выход которого является выходом развертывающего операционного усилителя и соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого является нходом развертывающего операционного усилителя, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения достоверности диагностиро- вания, в него введены генератор импульсов, соединенные последователь-. но релейный элемент, делитель частоты, пропорционально-дифференцирую" щий элемент и выпрямитель, причем релейные блоки Сруппы выполнены двухнходовыми, выход генератора импульсов подключен к вторым входамрелейных блоков группы, выход второго сумматора соединен с входом релейного элемента, а выход выпрямителя является дополнительным выходом раз"вертывающего операционного усилитеоставитель О,Отрадновехред М.Ходанич дактор Л,Пчели Заказ 5234/51 ПодписноССР тии 4 изводственно-полиграАичес 1 ое предприятие, г, У ул, Проектна ВНИИПИ Гос но делам 113035, Москв