устройство для интегрирования переменного напряжения

Формула изобретения

Устройство для интегрирования переменного напряжения, содержащее интегрирующий операционный усилитель, разрядный ключ, находящийся в цепи обратной связи интегрирующего операционного усилителя, компаратор напряжения, вход которого подсоединен к выходу интегрирующего операционного усилителя, одновибратор, выход которого подключен к входу управления разрядного ключа, отличающееся тем, что в него введен делитель частоты прямоугольных импульсов, включенный между выходом компаратора напряжения и входом одновибратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике.

Известны интеграторы напряжения на основе операционного усилителя (ОУ) с резистором на входе и конденсатором в цепи обратной связи (т.е. интегрирующего ОУ) (см. Гутников B.C. Интегральная электроника в электроизмерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 94). Недостатком таких устройств является накопление погрешности в режиме длительного интегрирования из-за наличия входного тока и напряжения смещения используемого ОУ.

Известны также интеграторы, в которых используются цепи отрицательной обратной связи по постоянному напряжению, с помощью которых устраняется эффект накопления погрешностей от интегрирования входного тока и напряжения смещения ОУ (см. Зыкин Ф.А., Казаков М.К. Интеграторы периодических сигналов / Изв. ВУЗов. Энергетика - 1988. - 7). Недостатками таких устройств является появление погрешностей интегрирования и увеличение инерционности из-за введения дополнительных обратных связей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство для интегрирования переменного напряжения, содержащее интегрирующий ОУ, дифференциатор, компаратор, одновибратор и разрядный ключ (см. а.с. СССР 1624484), которое принято за прототип.

В таком устройстве погрешность от интегрирования входных токов и напряжения смещения снижается периодическим разрядом конденсатора интегрирующего ОУ с помощью замыкания ключа. Но анализ показывает, что его недостатком является увеличение погрешностей при подаче на вход несинусоидального напряжения с повышенным содержанием гармонических составляющих.

Это связано с тем, дифференциатор, входящий в состав устройства, увеличивает относительный уровень гармоник (чем выше частота гармоники, тем выше ее относительная амплитуда) и при некотором содержании гармонических составляющих выходное напряжение дифференциатора будет пересекать нулевой уровень несколько раз. Это приведет к тому, что компаратор сработает не только в момент времени приближения выходного напряжения устройства к нулевому уровню (что необходимо), но и другие моменты времени. Сказанное поясняется фиг.1: фиг. 1, а иллюстрирует случай, когда входное напряжение u(t) имеет относительно небольшое содержание гармоник и выходное напряжение дифференциатора u_d(t) пересекает нулевой уровень один раз, поэтому прототип работает правильно; фиг. 1, б иллюстрирует случай, когда входное напряжение u(t) имеет повышенное содержание гармоник и выходное напряжение дифференциатора u_d(t) пересекает нулевой уровень несколько раз, что приведет к значительным погрешностям выполнения операции интегрирования, поскольку при каждом пересечении нулевого уровня напряжением u_d(t) разрядный ключ будет замыкаться.

Сущность предложения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в снижении погрешностей интегрирования переменных несинусоидальных напряжений.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для интегрирования переменного напряжения, содержащем интегрирующий операционный усилитель, разрядный ключ, находящийся в цепи обратной связи интегрирующего операционного усилителя, компаратор напряжения, вход которого подсоединен к выходу интегрирующего операционного усилителя, одновибратор, выход которого подключен к входу управления разрядного ключа, особенность заключается в том, что в него введен делитель частоты прямоугольных импульсов, включенный между выходом компаратора напряжения и входом одновибратора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг.1 приведены графики напряжений, поясняющие работу прототипа; на фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.3 приведены графики напряжений, поясняющие работу предложенного устройства.

Устройство содержит (фиг.2): интегрирующий ОУ 1, разрядный ключ 2, компаратор напряжения 3, делитель частоты прямоугольных импульсов 4, одновибратор 5.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Входное переменное напряжение подается на вход интегрирующего ОУ 1, некоторое выходное напряжение которого _вых (оно является выходным напряжением устройства) показано на фиг.3,а. Когда оно пересекает нулевой уровень, то компаратор 3 перебрасывается в противоположное состояние, поэтому напряжение на его выходе u_к имеет прямоугольную форму (фиг.3,б). Это напряжение подается на делитель частоты прямоугольных импульсов 4, выходное напряжение которого u_d показано на фиг.3,в. Период этого напряжения равен Т_d. Коэффициент деления частоты делителем 4 выбирается таким, чтобы за время Т_d не происходило сколько-нибудь заметного накопления погрешности от интегрирования напряжения смещения и входных токов интегрирующего ОУ 1. Прямоугольные импульсы с выхода делителя 4 подаются далее на вход одновибратора 5, который вырабатывает импульсы малой длительности (фиг.3, г) в моменты перепада напряжения u_d "нуль-единица". Эти импульсы подаются на вход управления разрядного ключа 2, который замыкается, чем осуществляется принудительная фиксация нулевого уровня интегрирующего ОУ 1. Так как в моменты фиксации переменное выходное напряжение переходит через нулевую точку (фиг.3,а), то погрешности при этом минимальны при любом содержании гармонических составляющих во входном переменном напряжении. Принудительная фиксация способствует также устранению погрешности от интегрирования входных токов и напряжения смещения интегрирующего ОУ 1 и позволяет использовать устройство в режиме длительного интегрирования.

Погрешность интегрирования вследствие потери информации в интервалы времени замкнутого состояния ключа 2 можно оценить по выражению:



где - длительность замкнутого состояния ключа 2 в интервалы фиксации нулевого уровня; Т - период входного напряжения; n - коэффициент деления делителя 4.

Формула (1) определяет погрешность по отношению к действующему значению гармонического напряжения с амплитудой U_m, равного По ней можно определить, что погрешность порядка 0,01% и менее получается при отношении /nT0,02.

В качестве компаратора 3 целесообразно использовать специальный компаратор в интегральном исполнении. Делитель частоты 4 можно выполнить на основе счетчиков импульсов.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что устройство, воплощающее заявленное решение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".