Генератор ступенчатого напряжения

(51)4 Н 0 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ О Е ИЗОБРЕТЕ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(53) 621.374(088,8) ЕРАТОР СТУПЕНЧАТОГ ЯЖЕ 18объединен г рир ующиенного тока,рис1-22етр узкоисание и инс. 21,А. Инт посто с. 54, вольтм кое о ац(56) Прянишников В. цифровые вольтметры Л,; Энергия, 1976,Ф 308 Амперметр и профильные. Техничес струкция по эксплуат рис. 1,НИЯ(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использова" но, например, в качестве высокостабильного формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой. Изобретение позволяет расширить функциональные возможносчи генератора путем обеспечения управления законом изменения напряжения, Для этого в генератор введены и допьлнительных ключей, и+1 элементов И, и коммутируемых активных двухполюсников, делители 11 и 12 напряжения и формиФ13962рователь 16 временных интервалов,Кроме того генератор содержит стациФонарный усилитель 1, конденсаторы 2и 8, ключи 3, 5 и 6, делитель 4 частоты, источник 7 опорного напряжения,генератор 9 тактовых импульсов, инвертор 10. Делитель 12 выполнен нарезисторах 17 и 18. Делитель 11 построен на основе цепочки иэ последовательно соединенных резисторов с выходами 9 и 20. Генератор формируетступенчатое напряжение с практическилюбой заданной нелинейностью. Точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяетсячислом. 4 ил.Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, в качестве высокостабильного Формирователя ступенчатого напряжения с заданной нелинейной характеристикой.Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей за счет обеспечения управления законом изменения напряжения,На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема генератора; на Фиг. 2-4 - эпюры, поясняющие работу генератора. 15Генератор ступенчатого напряжения содержит операционный усилитель 1, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллельно соединенные первый конденсатор 2 и ключ 3, управляющий вход которого сое. динен с выходом делителя 4 частоты, последовательно соединенные второй 5 и третий 6 ключи, включенные между выходом источника 7 опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя 1, общая точка соединения второго и третьего ключей 5, 6 соединена через второй конденсатор 8 с общей шиной устройства, генератор 30 9 тактовых импульсов, выход которого соединен с входом делителя 4 частоты и входом инвертора 10, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа 6, Генератор также содержит 35 первый 1 и второй 12 делители напряжения,п дополнительных ключей 13"1-13-п, в+1 элементов И 14- - 14"и, и коммутируемых активных двухполюсников 15-1 - 15-п, Формирователь 16 времен ных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя 4 частоты, а и+1 выходов - спервыми входами и+1 элементов И 14-114-п, вторые входы которых соединены с выходом тактового генератора 9.Выход первого из и+1 элементов И 14-1соединен с управляющим входом второго ключа 5,а выходы остальных соединены соответственно с управляющимвходом каждого из и дополнительныхключей 13-1 - 1 З-п, выходы которыхсоединены с потенциальной обкладкойвторого конденсатора 8, а вход соответственно с и выходами первого делителя 11 напряжения, включенного между выходом источника 7 опорного напряжения и общей шиной устройства,Каждый из и коммутируемых активныхдвухполюсников 15- - 15-и подключенпараллельно первому конденсатору 2,а управляющий вход каждого нз нихсоединен соответственно с и+1 выходами формирователя 6 временных интервалов, кроме последнего. еждувыходом операционного усилителя и общей шиной устройства включен второйделитель 12 напряжения, выход которого соединен с неинвертирующим входомоперационного усилителя. Делитель12 напряжения построен на резисторах17 и 18, а делитель 11 напряжения -на основе цепочки из последовательносоединенных резисторов с выходами19 и 20.Коммутируемые активные двухполюсники 15-1 " 15-и выполнены на основепоследовательно соединенных ключей21-1 - 21-и и резисторов 22-1 - 22-п.Работу устройства рассмотрим напримере п=2,Устройство работает следующим образом.Ч=С 2 К,где Ч - заряд, накопленный конденсатором 8 в первом полупериоде (любого тактового импульса);С 2 - емкость конденсатора 8;Е 1 - напряжение на выходе 20 делителя 11,Ч, =С 2.,=С 2(. . --- ) хПВ 2- вх - вьх, В+В 2(2) где Ч". - заряд, накопленный конден 2сатором 8 во втором полупериоде 1.-го тактового им 55пульса, когда этот конденсатор перезарядится до напряжения П (фиг. 2 е); 1 икл формирования ступенчатого напряжения начинается в момент, когда тактовые импульсы генератора 9 приводят делитель 4 частоты в исходное сос тояние, при котором размыкается ключ,3.В примерах 1-3 рассмотрена работа устройства при формировании нелинейностей различного вида. 10П р и м е р 1, Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходному состоянию делителя 4 соответствует такой режим работы формирователя 16 временных интервалов, при котором разомкнуты ключи 15-1 - 15-п, запрещается прохождение тактовых импульсов через элементы 14-1, 14-2 и разреша" ется их прохождение через элемент 14-п, причем такое состояние сохраняется в течение всего цикла (см, фиг. 2 а-д). В этом случае работают только ключи 6 и 13-п, причем в первые полупериоды тактовых импульсов замкнут ключ 13-и и разомкнут ключ 25 6, а во вторые полуперйоды замкнут ключ 6 (благодаря инвертору 10) и разомкнут ключ 13-п (см. фиг. 2 г-д), Постоянные времени заряда-разряда конденсатора 8 выбираются таким образом, чтобы в каждом из первых полупериодов этот конденсатор практически полностью заряжался до напряжения, которое имеется на выходе делителя 11 напряжений, а в каждом из вторых полупериодов этот конденсатор35 практически полностью разряжался до напряжения на входе операционного усилителя 1, При таком выборе постоянных времени для схемы на фиг. 1 справедливы следующие соотношения:У . - напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 после 1-го тактового импульса;вь,х, - напряжения на выходе усили 1теля 1,после -го тактово" го импульса;В, - сопротивление резистора В 7 делителя 12;В - сопротивление резистора В 18 делителя 12ЬЧ =Ч-Ч=С 2(вых - 2 Е), (3) и, В 2 где д Ч - изменение заряда конденсатора 8 за период .-го тактового импульса. Напряжение на выходе устройстваопределяется выражением В 2 где с,. - напряжение, накопленноес 1конденсатором 2 после (1-1)-го тактового импульса;д Ц, - приращение напряжения наконденсаторе 2 за период 1-го тактового импульса.Из выражения (4) находим В 1вых , В В 2 с;,(5) ) ЬЧ =СЬП,;=С(вых; В 1+В 2 -П ) (6)В где С 1 - емкость конденсатора 2.Поскольку предположили, что входной ток усилителя 1 равен нулю, то изменения зарядов конденсаторов 2 и 8 равны, т,е.(7) Поэтому, приравнивая правые части выражений (3) и (6) и принимая во внимание, что для первого тактового импульса=О, находим напряжениена выходе устройства после первых,вого тактового импульса (т.е. 1 1);С 2 В+В 2 вью, С В 1 С 2 В 2(5), находимИзменение заряда ЬЧ,;конденсатора 2 в течение второго полупериода оп" ределяется выражением(9) где Л 1 - приращение напряжения на5конденсаторе 2 за периодпервого тактового импульса.Приравнивая правые части выражений (3) и (б) и принимая во внимание, что для второго тактового импульса=й 11 г, определяем напряжение 1 вь, на выходе устройства после втовьврого тактового импульса(т. е, =2): С 2 Б 1+В 2(10) 20 Произведя аналогичные выкладки,можно легко показать, что после -готактового импульса напряжение 125вью,на выходе устройства определяетсяформулой С 2 В 1+В 2в 1" С 1 В 1где х - количество тактовых импуль 35сов.Принимая во внимание, что выражения в квадратных скобках формулы (11) представляет геометрическую про" грессию, формула может быть упрощена: 1 ОС 2 В 1+Б 2 Х(Х -1) ( )еь 1 х, С В 1 где Х= - - --С 2 Б 2и еще С 1 В(1 З) 45 Таким образом, формируется нелинейный закон изменения выходного напряжения генератора ступенчатого напряжения (фиг. 2 ж), причем в рассмат 5 О риваемом примере напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии. Регулируя соотношение между значениями сопротивлений В 1 и В 2, можно получить требуе" 5 мую нелинейность.П р и м е р 2 Рассмотрим работу устройства для случая, когда исходно дена формулагде Е 2 - напряжение на выходе 19 делителя 11;- период одного тактового импульса;- постоянная времени цепи разряда конденсатора 2, котораяФфЪопределяется выражением ,=С 1(В 22+В 21),где В 22 " сопротивление резистора22-и двухполюсника 15-и;В 21 - сопротивление замкнутогоключа 21-и двухполюсника15-п.Формула (14) также может быть упрощена, если принять во внимание,что выражение в квадратных скобках представляет собой геометрическую прогрессию. При этом С 2 В 1+В 2 У(У -1)Ц . = -Е 2 ---- , (15) еьв, С 1 Б 1 У 1(1 б) где С 2 В 2 Чт 11- -- е С 1 В 1 Иэ формулы ,14) очевидно, что условие, при котором выходная характеристика устройства будет вновь линейной, определяется выражением" С 2 В 2е 1 еС 1 В 1 из которого определяем условие линейности характеристики(18) Таким образом, регулируя соотноше"ние между значениями сопротивлений му состоянию делителя 4 соответствуеттакой режим работы формирователя 16,при котором разомкнут ключ 15-1, замкнут ключ 15-п, запрещается прохождение тактовых импульсов через элеме"ты 14-1 и 14-и и разрешается их прохождение через элемент 14-2, причемтакое состояние сохраняется в течение всего цикла (фиг, За-д). Для этого случая аналогично может быть выве 1396251В 1, В 2 и В 22, можно получить требуемую нелинейность, при этом возможны следующие варианты; напряжения отдельных ступеней увеличиваются по закону геометрической прогрессии; напряжения отдельных ступеней уменьшаются по закону геометрической прогрессии ( фиг, Зе ; напряжения отдельных ступеней равны (т.е. линейный закон). 10П р и м е р 3. Рассмотрим работу устройства для более сложного случая (фиг. 4), когда формирователь 16 функционирует в таком режиме, при котором возможны три случая. 151а, где а - некоторое целое число, В этом случае тактовые импульсы управляют работой ключей 6 и 13-и, все остальные ключи разомкнуты. Работа устройства при этом соответству-.20 ет рассмотренному примеру 1, а напряжение на выходе устройства определяется формулами (2) и (13).2, а сд, где Ь - некоторое целое число,В этом случае тактовые импуль сы управляют работой ключей 6 и 1 З-и, ключ двухполюсника 15-и постоянно замкнут, а все остальные ключи разомкнуты. Произведя аналогичные выкладки, можно для этого случая вывести формулу.С 2 В 1+В 2Е 2 У(У - 1) Б - -Е 1+ в-, С 1 В Ех(х- ) +у (19) 35Хгде Х и У. определяются Формулами (13) и (16) соответственно,3, 2.Ь. В этом случае тактовые импульсы управляют работой ключей 5 и 6, ключ двухполюсника 15-1 постоянно замкнут, а все остальные ключи разомкнуты. Аналогично для этого случая выводится сюрмула+ в вУ Е (20) Е 2, У(У 1 ) Х(х 1) Ь-а Е 1 У- Х 50 где ЕЗ - напряжение на входе делителя 7.1 с,е 2= (21) С 2 В 2 .Н 1е 55С 1 В 1 где с 1 - постоянная цепи разряда кон- денсатора 2, которая опреде" ляется выражением с (1( +В 21где В - сопротивление резистора21В 22-1 двухполюсника 15-1;1В, - сопротивление замкнутогоключа 21-1 двухполюсника15-1,Таким образом, в примере 3 выходная характеристика устройства состоит из трех участков (Фиг, 4 г), причем нелинейность каждого из участков может регулироваться требуемымобразом путем изменения номинальныхзначений элементов схемы. При необходимости один из участков характеристики может быть легко сделан линейным, как показано в прщере 2.Предлагаемый генератор позволяетсформировать ступенчатое напряжение,которое может иметь практически любуюзаданную нелинейность. При этом точность, с которой воспроизводится заданная нелинейность, определяется,как правило, числом иФормула изобретенияГенератор ступенчатого напряжения, содержащий операционный усилитель, между выходом которого и его инвертирующим входом включены параллельно соединенные первый конденсатор и ключ, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, последовательно соединенные второй и третий ключи включенные между выходом источника опорного напряжения и инвертирующим входом операционного усилителя, точка соединения второго и третьего ключей соединена через второй конденсатор с общей шиной устройства, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом делителя частоты и входом инвертора, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей за счет обеспечения возможности управления законом изменения выходного напряжения, в него введены и дополнительных ключей, и+1 элементов И, и коммутируемых активных двухполюсников, первый и второй делители напряжения и Формирователь временных интервалов, входы которого соединены соответственно с выходами делителя частоты, а и+1 выходов - с первыми вхо 1.39625дами и+1 элементов И, вторые входы , которых соединены с выходом тактового генератора, выход первого из и+1 элементов И соединен с управляющим входом второго ключа, а выходы остальных соединены соответственно с управляющим входом каждого иэ и дополнительных ключей, выходы которых , соединены с потенциальной обкладкойвторого конденсатора, а входы - соответственно с и выходами первого делителя напряжения, включенного между выходом источника опорного напряженияЬ(хОЬ/ФМ- М 1 1 Г)и общей шиной устройства, при этом каждый из и коммутируемых активных двухполюсников подключен параллельно первому конденсатору, а управляющий вход каждого иэ них соединен соответатвенно с выходами первого по п-й формирователя временных интервалов, второй делитель напряжения включен между выходом операционного усилителя и общей шиной устроиства, а выход второго делителя напряжения соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя,Логицескцо Р"Составитель А.Горбачеведактор Е.Конча Техред М,Ходанич ректор И Демчи Заказ 2503/56 Тираж 928 ИИПИ Государственного ком делам изобретений и от Москва, Ж, Раушскаис ета СС тий