SU896634A1

SU896634A1 - Analogue integrator

Info

Publication number: SU896634A1
Application number: SU802916974A
Authority: SU
Inventors: Александр Наумович Могилевский; Виктор Алексеевич Славный; Михаил Завенович Ташчян
Original assignee: Ордена Ленина Институт Геохимии И Аналитической Химии Им. В.И.Вернадского Ан Ссср
Priority date: 1980-04-23
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1982-01-07

Description

Изобретение относится к электронной измерительной технике, в частности к электронным' аналоговым интеграторам длительных процессов, и может быть использовано, например, в кулонометрии с контролируемым потенциялом.The invention relates to electronic measuring equipment, in particular to electronic 'analog integrators of lengthy processes, and can be used, for example, in coulometry with controlled potential.

Известны электронные аналоговые интеграторы, работа которых основана на использовании решающих усилителей с емкостной обратной связью [1]. В этих усилителях сначала интегрируют измеряемый (входной) сигнал, а затем компенсационный сигнал или сумму входного и компенсационного сигналов.Known electronic analog integrators, whose work is based on the use of decisive amplifiers with capacitive feedback [1]. In these amplifiers, the measured (input) signal is first integrated, and then the compensation signal or the sum of the input and compensation signals is integrated.

Недостатки таких интеграторов - перерывы в интегрировании входного сигнала и (или) недостаточно высокая точность.The disadvantages of such integrators are interruptions in the integration of the input signal and (or) insufficiently high accuracy.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является аналоговый интегратор, содержащий интегрирующий усилитель,, источник ком пенсирующего (эталонного) напряжения, гисте резисное переключающее устройство и суммирующий хронометр [2]. При работе известно.го интегратора измеряемое (входное) напря² жение поступает на решающий усилитель через переключающее устройство. При этом напряжение на выходе усилителя начинает увеличиваться. Когда оно достигнет уровня срабатывания переключающего устройства, это устройство включает источник компенсирующего напряжения последовательно с источником входного напряжения, а также включает суммирующий хронометр. Далее напряжение на выходе решающего усилителя начинает уменьшаться и, когда оно достигнет уровня отпускания переключающего устройства, последнее отключает источник компенсирующего напряжения и останавливает хронометр. Величина интеграла оценивается по суммарной продолжительности включения источника компенсирующего напряжения.The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result is an analog integrator containing an integrating amplifier, a source of compensating (reference) voltage, a hysteresis switching device, and a summing chronometer [2]. During operation, the integrator is known that the measured (input) voltage ² is supplied to the decisive amplifier through a switching device. In this case, the voltage at the output of the amplifier begins to increase. When it reaches the trigger level of the switching device, this device includes a source of compensating voltage in series with the source of input voltage, and also includes a summing chronometer. Further, the voltage at the output of the decisive amplifier begins to decrease, and when it reaches the release level of the switching device, the latter disconnects the source of the compensating voltage and stops the chronometer. The value of the integral is estimated by the total duration of the inclusion of the source of the compensating voltage.

Недостаток известного интегратора — возрастание погрешности интегрирования nprf уменьшении величины входного напряжения.’A disadvantage of the known integrator is an increase in the integration error nprf to a decrease in the input voltage. ’

Цель изобретения — повышение точности интегрирования в широком диапазоне входных напряжений.The purpose of the invention is to improve the accuracy of integration in a wide range of input voltages.

Поставленная цель достигается тем, что в известный аналоговый интегратор, содержащий интегрирующий усилитель, вход которого соединен с подвижным контактом переключателя, неподвижные контакты которого подключены соответственно к одному выводу источника ' компенсирующего напряжения й общему выводу источников, входного й’компенсирующего напряжений, другой вывод источника входного напряжения соединен с шиной нулевого потенциала, и суммирующий хронометр, введены два блока формирования модуля знакопеременного напряжения, безгистерезисный компаратор и-триггер, выход которого подключен к. управляющим входам переключателя и суммирующего хронометра, входы блоков формирования модуля знакопеременного напряжения подключены соответственно к выходу интегрирующего усилителя и общему выводу источников входного и компенсирующего напряжений, а выходы соединены со входами безгистерезисного компаратора, вы-. ход которого подключен ко входу триггера.This goal is achieved by the fact that in the known analog integrator containing an integrating amplifier, the input of which is connected to the movable contact of the switch, the fixed contacts of which are connected respectively to one output of the source of the compensating voltage and the common output of the sources, input and compensating voltages, another output of the input source voltage is connected to the zero potential bus, and the summing chronometer, two blocks for the formation of an alternating voltage module are introduced, without hysteresis ny comparator and flip-flop, whose output is connected to the. control inputs of the switches and summing timepiece module formation blocks alternating-voltage inputs are connected respectively to the output of the integrating amplifier and the common terminal of the input source and the compensating voltage, and outputs connected to the inputs of the comparator hysteresis-free, you are a. whose stroke is connected to the trigger input.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема аналогового интегратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу интегратора. ·In FIG. 1 shows a structural electrical circuit of an analog integrator; in FIG. 2 are timing diagrams illustrating the operation of an integrator. ·

Аналоговый интегратор содержит интегрирующий усилитель 1, вход которого через переключатель 2 соединен с источником 3 входного и источником 4 компенсирующего напряжений. Источники 3 и 4 включены встречно. С выходом усилителя · 1 соединен вход блока 5 формирования .модуля знакопеременного напряжения. Вход второго блока 6 формирования модуля соединен с источником 3 входного сигнала.' Выходы блоков 5 и 6 соединены соответственно с входами безгистерезисного компаратора 7. Выход компаратора 7 через счетный триггер 8 соединен с управляющими входами переключателя и суммирующего хронометра 9.The analog integrator contains an integrating amplifier 1, the input of which is connected via a switch 2 to a source 3 of input and a source 4 of compensating voltages. Sources 3 and 4 are included in the opposite direction. The output of the amplifier · 1 is connected to the input of the unit 5 of the formation of the module of alternating voltage. The input of the second block 6 of the formation of the module is connected to the source 3 of the input signal. ' The outputs of blocks 5 and 6 are connected respectively to the inputs of the hysteresis-free comparator 7. The output of the comparator 7 through a counting trigger 8 is connected to the control inputs of the switch and totalizing chronometer 9.

На фиг. 2 изображены следующие диаграммы: а — входное (измеряемое) ' напряжение источника 3; б — выходное напряжение решающего усилителя 1 (проинтегрированный сигнал); в - модуль входного напряжения; г модуль выходного напряжения усилителя; д — выходное напряжение компаратора 7; е - выход триггера 8. Кроме того, обозначены мо'менты включения t₃ и тд., а также моменты выключения источника компенсирующего напряжений t₃, t| и тд.In FIG. 2 shows the following diagrams: a - input (measured) 'voltage of source 3; b - the output voltage of the decisive amplifier 1 (integrated signal); in - input voltage module; g amplifier output voltage module; d is the output voltage of the comparator 7; e is the trigger output 8. In addition, the turning on moments t ₃ , etc., as well as the turning off moments of the compensating voltage source t ₃ , t | etc.

При практическом осуществлении интегратора переключатель 2 может быть выполнен, например, в виде электромагнитного реле, обмотка включена на выход триггера 8. Блоки 5 и 6 формирования модуля знакопеременного напряжения могут быть выполнены, напри мер, по схеме выпрямителей среднего значения на основе Операционных усилителей. В качестве безгистерезисного компаратора 7 можно использовать любой дифференциальный усилитель, например операционный усилитель.In the practical implementation of the integrator, switch 2 can be made, for example, in the form of an electromagnetic relay, the winding is connected to the output of trigger 8. Blocks 5 and 6 of the formation of an alternating voltage module can be performed, for example, according to the scheme of average value rectifiers based on operational amplifiers. As a hysteresis-free comparator 7, any differential amplifier, for example, an operational amplifier, can be used.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Входное напряжение (фиг. 2, σ) от источника 3 поступает на вход интегрирующего . усилителя 1 через переключатель 2. Вследствие этого выходное напряжение (фиг. 2, б) усилителя 1 начинает увеличиваться. Это напряжение поступает на вход блока 5 формирования модуля знакопеременного сигнала, напряжение на выходе которого (фиг. 2, г) по абсолютной величине равно напряжению на выходе усилителя 1, но всегда положительно. Напряжение источника 3 поступает также ' на вход блока 6, который работает аналогично блоку 5. Напряжение на выходе блока 6 (фиг. 2, в) по абсолютной величине равно напряжению источника 3 входного напряжения, но всегда положительно, напряжение с выходов блока 5 и б (фиг. 2, в и фиг. 2, г) сравнивается компаратором 7. В момент tj равенства указанных напряжений компаратор 7 вырабатывает импульс (фиг. 2, д'), который поступает на счетный вход триггера 8, опрокидывая последний (фиг. .2, ^. Триггер 8, воздействуя на управляющий вход переключателя 2, переводит его в верхнее положение. В этом случае источники 3 и 4 входного и компенсирующего напряжений, включенные встречно, подсоединяются ко входу интегрирующего усилителя 1. Одновременно перепадом напряжения с выхода триггера 8 включается суммирующий хромометр 9. Вследствие интегрирования суммы напряжений источников 3 и 4 выходное напряжение усилителя 1 начинает уменьшаться^ (фиг. 2, б), а затем и меняет свою полярность. В момент ΐι, Соответствующий следующему после моменты tj равенству модулей напряжения источника 3 входного сигнала и выходного напряжения усилителя 1, т.е.· равенству напряжений на выходах блоков 5 и 6 (фиг. 2, е), компаратор .7 вырабатывает импульс, который возвращает триггер 8 в исходное положение. Вследствие этого переключатель 2 отключает источник 4 компенсирующего напряжения и останавливает суммирующий хронометр 9. На вход интегрирующего. усилителя 1 поступает напряжение источника 3, выходное напряжение усилителя 1 начинает увеличиваться. Далее все процессы с циклическим включением (моменты t₃,t₃ и тд.) и выключением (моменты t'₂, t₃ ’ и тд.) источника 4 компенсирующего напряжения и хронометра 9 в моменты равенства модулей напряжения источника 3 входного напряжения и напряжения на выхо896634 де усилителя 1 (проинтегрированный сигнал) повторяются в течение всего времени интегрирования. Величина интеграла оценивается по суммарной продолжительности включения источника компенсирующего напряжения, измеряемой суммирующим хронометром.The input voltage (Fig. 2, σ) from the source 3 is fed to the input of the integrating. amplifier 1 through switch 2. As a result, the output voltage (Fig. 2, b) of amplifier 1 begins to increase. This voltage is supplied to the input of the unit 5 for forming an alternating signal module, the voltage at the output of which (Fig. 2d) is equal in absolute value to the voltage at the output of amplifier 1, but always positively. The voltage of source 3 is also supplied to the input of block 6, which works similarly to block 5. The voltage at the output of block 6 (Fig. 2, c) is equal in absolute value to the voltage of source 3 of the input voltage, but always positively, the voltage from the outputs of block 5 and b (Fig. 2, c and Fig. 2, d) is compared by the comparator 7. At the moment tj of equality of the indicated voltages, the comparator 7 generates a pulse (Fig. 2, d '), which arrives at the counting input of the trigger 8, overturning the latter (Fig. 2, ^. Trigger 8, acting on the control input of switch 2, translates it into In this case, the sources 3 and 4 of the input and compensating voltages, switched on in the opposite direction, are connected to the input of the integrating amplifier 1. At the same time, by the voltage drop from the output of the trigger 8, the summing chromometer 9 is turned on. Due to the integration of the sum of the voltages of the sources 3 and 4, the output voltage of the amplifier 1 starts decrease ^ (Fig. 2, b), and then changes its polarity.At moment ΐι, which corresponds to the equality of the voltage modules of the source 3 of the input signal and the output voltage following the moments tj preamplifier 1, i.e. equality · voltages on the outputs of the blocks 5 and 6 (Fig. 2f), the comparator .7 generates a pulse that returns trigger 8 to its original position. As a result, the switch 2 turns off the source 4 of the compensating voltage and stops the summing chronometer 9. At the input of the integrating. amplifier 1 receives the voltage of source 3, the output voltage of amplifier 1 begins to increase. Further, all processes with cyclic switching on (moments t ₃ , t ₃ , etc.) and turning off (moments t ' ₂ , t ₃ ', etc.) of the compensating voltage source 4 and the chronometer 9 at the moments of equal voltage modules of the input voltage and voltage source 3 at the output 896634 de amplifier 1 (integrated signal) are repeated throughout the integration time. The value of the integral is estimated by the total duration of the inclusion of the source of the compensating voltage, measured by a summing chronometer.

Преимуществом предлагаемого аналогового интегратора является существенно меньшая погрешность при интегрировании входных напряжений, изменяющихся в широком диапазоне величин. Это преимущество основано на том, что в отличие от известного интегритора, в котором уровни проинтегрированного сигнала, соответствующие моментам включения и выключения источника компенсирующего напряжения, постоянны и не зависят от величины входного напряжения. В предлагаемом интеграторе эти уровни равны (по абсолютной величине) входному напряжению. Вследствие этого длителвкость отдельного цикла интегрирования не увеличивается при уменьшении величины входного напряжения и поэтому погрешность интегрирования, определяемая конечной величиной эквивалентной постоянной времени решающего усилителя, в частности утечкой в интегрирующем конденсаторе, остается практически неизменной при уменьшении входного напряжения.The advantage of the proposed analog integrator is a significantly smaller error when integrating input voltages that vary over a wide range of values. This advantage is based on the fact that, in contrast to the known integrator, in which the levels of the integrated signal corresponding to the moments of switching on and off the source of compensating voltage are constant and independent of the input voltage. In the proposed integrator, these levels are equal (in absolute value) to the input voltage. As a result of this, the duration of a single integration cycle does not increase with decreasing input voltage, and therefore the integration error, determined by a finite value equivalent to the time constant of the decoding amplifier, in particular, leakage in the integrating capacitor, remains almost unchanged with decreasing input voltage.

Следует также отметить, что в предлагаемом интеграторе имеет место дополнительное снижение, погрешности интегрирования. Это обусловлено тем, что проинтегрированный сигнал изменяется приблизительно симметрично относительно нулевого 'уровня. Поэтому среднее значение проинтегрированного сигнала (выходного напряжения решающего усилителя), от которого наряду с утечкой в конденсаторе зависит погрешность интегрирования, мало, что и ведет к дополнительному снижению погрешности.It should also be noted that in the proposed integrator there is an additional decrease in integration errors. This is due to the fact that the integrated signal changes approximately symmetrically with respect to the zero level. Therefore, the average value of the integrated signal (the output voltage of the decisive amplifier), on which, along with a leak in the capacitor, the integration error depends, is small, which leads to an additional decrease in the error.

Claims

- -. The invention relates to electronic measurement technology, in particular to electronic analogue integrators of long-running processes, and can be used, for example, in potential-controlled coulometry. Electrostatic analogous integrators are known, whose operation is based on the use of decisive amplifiers with capacitive feedback .1. These amplifiers first integrate the measured (input) signal and then the compensation signal or the sum of the BKooiioro and the compensation signals. The disadvantages of such integrators are a break in the integration of the input signal and (south) accuracy is not high enough. The closest to the invention in technical terms and the achieved result is a vp analog analog integrator containing an integrating amplifier, a source of compensating (reference) voltage, pressure, a switching device and a summing chronometer 12. During operation, it is known. The integrator measured voltage (input) voltage is supplied to the decisive amplifier through a switching device. With this, the voltage at the output of the amplifier starts to increase. When it reaches the actuation level of the switching device, this device turns on the compensating source. 10 voltage in series with the input voltage source, and also includes a summing chronometer. Further, the voltage at the output of the decoupling amplifier begins to decrease and, when it reaches the release level of the switching device, the latter turns off the compensating voltage n-string and stops the chronometer. The magnitude of the integral is estimated by the total duration of switching on the source of the compensating voltage. A disadvantage of the known integrator is an increase in the integration error with the measured input voltage. The purpose of the invention is to increase the accuracy of integration in the immense range of input voltages. 3 The goal is achieved by the fact that, in a well-known analog integrator, a integrating amplifier, whose input is connected to a moving contact of a switch, and whose contacts are connected respectively to one output of a compensating voltage source and the total output voltage of the sources, the other and the compensating voltage of the source the input voltage is connected to the zero-potential bus, and the summing chronometer, two blocks for the formation of an alternating voltage module, hysteresis are introduced A comparator .i-trigger, the output of which is connected to the control inputs of the switch and summing chronometer, the inputs of the alternating voltage module forming units of the alternating voltage are connected respectively to the output of the green amplifier and the common output of the input and compensating voltages, and the outputs are connected to a XX-XXXX and XXXX. -oj hysteresis-free KOMnapaTbpia, you-. the course of which is connected to the trigger input. FIG. I shows the structural electrical circuit of the analog switch; in fig. 2 - time diagrams illustrating the work of the integrator. An analog integrator contains an integrating amplifier 1, the input of which through a switch 2 is connected to a nostochkin 3 input and source 4 of the compensating voltage. Sources 3 and 4 are entailed. The output of the USE-Shitel-1 is connected to the input of the block 5 of the fopes of the module of its storage voltage. The input of the second block b forming the module is connected to the source 3 of the input C5 ' The outputs of blocks 5 and 6 are connected respectively to the inputs without a hysteresiscog comparator 7. The output of the comparator 7 is connected through the counting trigger 8 to the control inputs of the switch and summing up the chronometer 9, FIG. 2 images of the following diagram: a - input (measured) voltage of source 3; (b) output voltage of the decisive usorgel 1 (integrated signal); c is the input voltage module; r output voltage amplifier module; d is the output voltage of the comparator 7; e - you. the course of the trigger 8. In addition, the switching times ti, tj, ts, etc., are indicated, as well as the moments of failure of the source of the compensating voltage ti, t, t | etc. In the practical implementation of the integrator, switch 2 can be made. For example, in the form of an electromagnetic relay / coil is connected to the output of the trigger 8. Blocks 5 and b of forming an alternating voltage module can be performed, for example, according to the average value rectifier circuit based on operational amplifiers. As a hysteresis-free comparator 7, you can use any differential silica gel, for example, an operational amplifier. The device works as follows. The input voltage (fig. 2, a) from source 3 is fed to the integrating input. amplifier 1 through switch 2. As a result, the output voltage (Fig. 2, b) of amplifier 1 begins to increase. This voltage is fed to the input of the unit 5 for forming the module of an alternating signal, the voltage at the output of the Major (Fig. 2, d) is equal in absolute value to the voltage at the output of the amplifier 1, but always positive. The voltage of source 3 is also fed to the input of block 6, which operates similarly to block 5. The voltage at the output of block 6 (Fig. 2, c) is in absolute value equal to the voltage of source 3 of the input voltage, but always positive, the voltage from the outputs block 5 and 6 (fig. 2, c and fig. 2, d) is compared with comparator 7. At the time ti of equality of the indicated voltages, the comparator 7 generates a pulse (fig. 2, d), which is fed to the counting input of the trigger 8, tilting the last (Fig. 2, c) .- Trigger 8, affecting the control input of the transient administrator 2, translates it the top position. In this case, the sources 3 and 4 of the input voltage and the compensating voltage, which are switched on three times, are connected to the input of the 5H1 amplifier 1. Simultaneously, the voltage drop from the output of the trigger 8 turns on a total chronometer 9. Due to the integration of the sum of the voltages of sources 3 and 4 the output voltage of amplifier 1 begins to decrease, ffig-2, b), and then changes its polarity. B moment tij Corresponding to the equality of the voltage modules of the source 3 of the input signal and the output voltage of the amplifier 1, next to the modulation tj, i.e., to the equality of the voltages at the outputs of blocks 5 and 6 (Fig. 2, e), comparator.7 produces a pulse, which returns the trigger 8 to its original position. As a result, switch 2 turns off the compensating voltage source 4 and stops the summing chronometer 9. At the integrating input. amplifier 1 receives the voltage of source 3; output voltage of amplifier 1 begins to increase. Further, all processes with cyclic switching on (times t2, -t3, and T L.) And turning off (moments ti, tsH, etc.) of the source 4 of the compensating voltage and chronometer 9 at the moments of equality of the modules of the voltage of the source 3 of the input voltage and The amplitudes of amplifier 1 (integrated signal) are repeated throughout the integration time. The magnitude of the integral is estimated by the total switching duration of the compensating voltage source, measured by the summing chronometer. The advantage of the proposed analog integrator is a significantly smaller error when integrating input voltages varying in a wide range of values. This advantage is based on the fact that, in contrast to the well-known integrator, in which the levels of an integrated signal corresponding to the moments of switching on and off the source of the compensating voltage, are constant and do not depend on the input voltage. In the proposed integrator, these levels are equal (in absolute value) to the input voltage. 1 Because of this, the duration of an individual integration number does not increase with a decrease in the input voltage and therefore the integration error determined by the final value of eq "1valent decisive amplifier time constant, in particular the leakage in the integrating capacitor, remains almost unchanged as the input voltage decreases. It should also be noted that in the proposed integrator there is an additional decrease, integration errors. This is due to the fact that the integrated signal varies approximately symmetrically about the zero level. Therefore, the average value of the integrated signal (the current voltage of the decisive amplifier), about which the integration error depends, along with leakage in the capacitor, is small, and leads to an additional decrease in the error. Claims. . . .. Analog integrator containing an integrated amplifier, whose input is connected to a moving contact of a switch, the fixed contacts of which are connected appropriately to one output of a voltage-compensating voltage source on a common output of compensating and input voltage sources, the other output of an input voltage source is connected to a zero potential bus A total chronometer, characterized in that, in order to increase the integration accuracy in a wide range of input voltages, two blocks are introduced in it modulating the voltage-alternating voltage module, a non-volatile comparator n trigger, the output of which is connected to the control inputs of the switch and summing chronometer, the inputs of the shaping module of the alternating voltage module are connected respectively to the output of the integrating amplifier and the common output sources of the input and compensating voltages that are connected to the outputs of the input voltage and compensating voltages, respectively, are connected to the output of the integrating amplifier and the common output sources of the input and compensating voltages are connected to the outputs of the input voltage and compensating voltages. inputs hysteresis comparator, the output of which is connected to the trigger input. Information sources, . taken into account during the examination 1.Mahnanov V.D.N. Mklohin M.T. The device of frequency and time-impulse transformation. M., Energie, 1970, p. 115-119.

2. USSR author's certificate K 374618, cl. G 08 G 7/18, 1971 (prototype).