автоматический корректор нулевого уровня аналогового прибора

Формула изобретения

Автоматический корректор нулевого уровня аналогового прибора, включающий первый, второй, третий и четвертый резисторы и операционный усилитель, причем по одному выводу первого и второго резисторов присоединено к инвертирующему входу операционного усилителя, второй вывод второго резистора присоединен к выходу операционного усилителя, образующему выход корректора, один вывод третьего резистора соединен с одним выводом четвертого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с земляным выводом корректора, а вторые выводы первого и третьего резисторов соединены вместе, отличающийся тем, что дополнительно содержит конденсатор и ключ, причем один вывод конденсатора соединен с земляным выводом корректора, другой его вывод присоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя и к одному выводу ключа, другой вывод ключа присоединен с соединенным вместе выводам третьего и четвертого резисторов, а вторые выводы первого и третьего резисторов образуют вход корректора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для применения в измерительной технике, автоматике биомедицинских исследованиях - везде, где требуется наблюдать, измерять или записывать на бумажную или магнитную ленту временной ход нескольких процессов одновременно. Например, в кардиологии требуется записывать электрокардиограммы с нескольких отведений одновременно на многоканальном самописце. В этом случае, из-за неоднородной поляризации электродов и других причин нулевые положения каждого из каналов самописца могут сильно различаться. К моменту начала записи их необходимо скорректировать к нулевым отметкам, чтобы запись осуществлялась в пределах шкалы самописца. Делать это вручную, при количестве отведений 5 - 10 и более неудобно и к моменту окончания ручной коррекции нуля последнего канала первый канал уже может заметно изменить свой нулевой уровень. Следовательно, требуется устройство, позволяющее по одной команде автоматически скорректировать нули всех каналов одновременно.

Известно цифроаналоговое устройство [1], которое в принципе позволяет решить задачу коррекции нулевых уровней нескольких аналоговых приборов одновременно. Это устройство содержит тактовый генератор, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вычитатель напряжений и кнопку управления. Известное устройство работает следующим образом. В отсутствии полезного сигнала, непосредственно перед началом измерений или записи, нажимом кнопки управления включают тактовый генератор. Генератор начинает вырабатывать тактовые импульсы, которые вызывают нарастание показаний двоичного счетчика. Двоичный счетчик, подключенный своими выходами к цифроаналоговому преобразователю, вызывает нарастание постоянного напряжения на его выходе, присоединенном к одному из входов аналогового вычитателя. На другой вход вычитателя подано входное напряжение прибора (сигнал с датчика). В момент, когда напряжение на выходе вычитателя станет равным нулю, автоматически подается команда на выключение тактового генератора, и прибор готов к измерению или записи полезного сигнала, снимаемого с выхода аналогового вычитателя. Во все время измерения цифроаналоговый преобразователь будет сохранять на своем выходе напряжение, равное имевшемуся ранее начальному уровню, что и требуется в данном случае. Включив в каждый измерительный канал по такому известному устройству, управляемому от единой кнопки, можно одновременно автоматически корректировать нулевые уровни в каждом канале с требуемой точностью.

Описанное известное устройство обладает существенным недостатком - сложностью. На каждый канал требуется двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь и аналоговый вычитатель, что удорожает прибор и увеличивает его габариты и энергопотребление.

Наиболее близким по параметрам используемых элементов и их электрическому соединению к предлагаемому изобретению является известное устройство - мостовой усилитель [2], предназначенное для преобразования изменения сопротивления резистора в пропорциональное ему изменение выходного напряжения и принятое за прототип.

Устройство-прототип (см. фиг. 1) содержит: первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 резисторы, которые в исходном состоянии обладают одинаковым сопротивлением, дополнительный источник питания 5 и операционный усилитель 6. Первый резистор 1 одним концом присоединен к инвертирующему входу операционного усилителя 6, а другой его конец вместе с одним концом третьего резистора 3 присоединен к одному концу дополнительного источника питания 5. Второй резистор 2 одним концом также присоединен к инвертирующему входу операционного усилителя 6, а другим концом к выходу операционного усилителя 6, являющемуся выходом устройства-прототипа. Второй вывод третьего резистора 3 вместе с одним концом четвертого резистора 4 присоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя 6. Второй вывод четвертого резистора 4 совместно со вторым выводом дополнительного источника питания 5 присоединен к "земляному" (нулевому) выводу устройства-прототипа.

Устройство-прототип работает следующим образом. В исходном состоянии, когда все четыре резистора 1 - 4 обладают одинаковыми сопротивлениями, напряжение дополнительного источника питания 5 передается на выход операционного усилителя 6 по инвертирующему входу с коэффициентом передачи, равным минус единице, а по неинвертирующему входу с коэффициентом передачи, равным плюс единице. Ввиду этого, в исходном состоянии напряжение на выходе операционного усилителя 6, а значит и самого устройства-прототипа, отсутствует. Если сопротивление резистора 2 изменится, то изменится коэффициент передачи операционного усилителя 6 по инвертирующему входу, баланс коэффициентов передачи нарушится, и на выходе операционного усилителя 6, являющемся выходом устройства-прототипа, появится напряжение.

Недостатком этого известного устройства является следующее. В описанном виде устройство-прототип не может выполнять функции, которые требуются для выполнения поставленной задачи - автоматической коррекции нулевого уровня аналогового прибора. Это связано с тем, что в устройстве-прототипе нет элементов, способных выполнять запоминание величины постоянного напряжения, способных автоматически компенсировать напряжение нулевого уровня, а также нет коммутирующего элемента, с помощью которого можно было бы управлять моментом запоминания нулевого уровня.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание нового устройства - автоматического корректора, позволяющего одновременно скорректировать в течение минимального времени нулевые уровни практически любого количества аналоговых приборов. Поставленная задача достигается за счет технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения: значительное упрощение устройства, уменьшение его габаритов и энергопотребления при существенном повышении быстродействия.

Технический результат достигается тем, что устройство выполнено полностью аналоговым, а функции запоминания, сравнения и компенсации совмещаются в одном каскаде. Для этого в известное техническое устройство добавляются конденсатор и ключ, а схема соединений изменяется следующим образом: соединенные вместе концы первого и третьего резисторов 1 и 3 образуют вход заявляемого автоматического корректора, конденсатор одним своим выводом присоединяется к неинвертирующему входу операционного усилителя, а другим выводом к "земляному" (нулевому) проводу корректора. Ключ присоединяется таким образом, что может отключать от неинвертирующего входа операционного усилителя присоединявшиеся к нему резисторы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема предлагаемого устройства (фиг. 2).

Заявляемое устройство содержит: первый, второй, третий и четвертый резисторы 1, 2, 3 и 4, имеющие одинаковое сопротивление, операционный усилитель 5, конденсатор 6 и ключ 7. Причем соединенные вместе концы первого и третьего резисторов 1 и 3 образуют вход предлагаемого корректора, второй конец первого резистора 1 присоединен к инвертирующему входу операционного усилителя 5. К этому же входу присоединен один конец второго резистора 2, а второй его конец присоединен к выходу операционного усилителя, являющемуся выходом заявляемого автоматического корректора. Второй конец третьего резистора 3 соединен с одним концом четвертого резистора 4 и первым контактом ключа 7, второй конец четвертого резистора 4 присоединен к "земляному" (общему) выводу заявляемого корректора. К этому же выводу заявляемого корректора присоединен один конец конденсатора 6, а второй его конец вместе со вторым контактом ключа 7 присоединен к неинвертирующему входу операционного усилителя 5.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства - автоматического корректора нуля аналогового прибора с устройством-прототипом - мостовым усилителем - показывает, что заявляемое устройство содержит два новых элемента - конденсатор и ключ и новые связи - конденсатор постоянно подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а два соединенных вместе резистора могут при помощи ключа подсоединяться к этому входу операционного усилителя или отсоединяться от него, кроме того, соединенные вместе концы первого и третьего резисторов образуют вход заявляемого корректора.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Для определения соответствия заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень" рассмотрим известность его отличительных, являющихся функционально самостоятельными признаков. Применение конденсатора, подключенного ко входу операционного усилителя, известно в измерительной технике (см. например Е. А. Коломбет "Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов" М., Радио и связь, 1991 г., стр. 39). Однако в известных технических устройствах такое подключение используют для запоминания напряжения (например, напряжения смещения нуля операционного усилителя) с использованием запомненной величины в других каскадах. Использование запомненной на конденсаторе величины напряжения для корректировки начального уровня входного сигнала к нулю, причем в одном каскаде, неизвестно. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство по фиг. 2 работает следующим образом. В начальный момент времени, непосредственно перед началом измерений или записи, кратковременно замыкают обычно разомкнутый ключ 7. При этом заявляемое устройство на короткое время превращается в мостовой усилитель, сопротивления всех резисторов которого одинаковы. Конденсатор 6 быстро заряжается до напряжения, определяемого соотношением сопротивлений третьего и четвертого резисторов 3 и 4 и после этого не оказывает влияния на работу устройства, пока замкнут ключ 7. Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 5 становится равным половине напряжения нулевого уровня, присутствующего на входе заявляемого корректора (при условии равенства сопротивлений резисторов 3 и 4). Поскольку коэффициент передачи операционного усилителя в данном случае равен двум, то напряжение на выходе операционного усилителя 5 должно было бы быть равно напряжению нулевого уровня. Однако напряжение нулевого уровня одновременно подается и на инвертирующий вход операционного усилителя 5, коэффициент передачи которого по этому входу равен минус единице. Благодаря сочетанию этих двух факторов, результирующее напряжение на выходе операционного усилителя 5 становится равным нулю, независимо от уровня и знака нулевого уровня напряжения на входе заявляемого корректора (в пределах напряжения питания операционного усилителя 5). При размыкании ключа 7 описанная картина сохраняется, поскольку на конденсаторе 6 остается напряжение, действовавшее на нем до размыкания ключа. Устройство готово для измерения или записи полезного сигнала. При появлении такого сигнала он через первый резистор 1 воздействует на инвертирующий вход операционного усилителя 5 и передается без потерь, но с изменением полярности на выход заявляемого устройства, то есть заявляемое устройство выполняет функции известного инвертора аналогового сигнала.

Таким образом осуществляется автоматическая коррекция нулевого уровня аналогового прибора с сохранением функции передачи полезного сигнала. Таким образом, благодаря своим новым признакам, предлагаемое устройство обеспечивает достижение следующего технического результата: упрощение устройства, уменьшение его габаритов и энергопотребления, при этом автоматический корректор позволяет нажатием одной кнопки скорректировать в течение доли секунды нулевые уровни практически неограниченного числа аналоговых приборов.

Источники информации

1. Филатов А.В. Автономное измерительное устройство с автокоррекцией систематических погрешностей // Приборы и техника эксперимента, 1988 г., N 4, стр. 67 - 69.

2. Дж. Грэм, Дж. Тоби и Л. Хьюлсмэн. Проектирование и применение операционных усилителей, М., Мир, 1974 г., стр. 232 - 233 (прототип).