SU896634A1 - Аналоговый интегратор - Google Patents

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.

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.

Недостатки таких интеграторов - перерывы в интегрировании входного сигнала и (или) недостаточно высокая точность.

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.

Недостаток известного интегратора — возрастание погрешности интегрирования nprf уменьшении величины входного напряжения.’

Цель изобретения — повышение точности интегрирования в широком диапазоне входных напряжений.

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.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема аналогового интегратора; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу интегратора. ·

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.

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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.

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.

Claims (2)

1. - - . Изобретение относитс  к электронной измерительной технике, в частности к электронным аналоговым интеграторам длительных процессов , и может быть использовано, например, в кулонометрии с контролируемым потенциалом . Известны электрош1ыс аналогивые интеграторы , работа которых основана на нспользовашш решающих усилителей с емкостной обратной св зью .1. В этих усилител х сначала интегрируют измер емый (входной) сигнал а затем компенсационный сигнал или сумму BKooiioro и компенсационного сигналов. Недостатки таких интеграторов - перерывад в интегрировании входного сигнала и (юга) недостаточно высока  точность. Наиболее близким к изобретению по технической сущиости и достигаемому результату - вп&еп  аналоговый интегратор, содержащий интегрирующий усилитель,, источник ком пенсирующего (эталонного) напр жени , гнете резисное переключающее устройство и суммирующий хронометр 12. При работе известно . го интегратора измер емое (входное) напр жение поступает на решающий усилитель через переключающее устройство. При зтом напр жение на выходе усилител  начзшает увеличиватьс . Когда оно достигнет уровн  срабатывани  переключающего устройства, это устройство включает источник компенснрующе-. 10 напр жени  последовательно с нсточником входного напр жени , а также включает суммирующий хронометр. Далее напр жение на выходе рещающего усилител  начинает уменьшатьс  и, когда оно достигнет уровн  отпускани  переключающего устройства, последнее отключает нсточкик компенсирующего напр жени  и останавливает хронометр. Величина интеграла оцениваетс  по суммарной продолжительности включени  источника компенсирующего напр жени . Недостаток известного интегратора - возрастание погрешности интегрировани  при умекьщенки величины входного напр жени . Цель изобретени  - повьщ1ение точности интегрировани  в ип роком диапазоне входных напр жений. 3 Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известный аналоговый интегратор, содЬржаиИЙ интегрирующий усилитель, вход которого соединен с подвижным контактом переключател  непод&нжкые контакты которого подключены соответственно к одному выводу источника компенсирующего напр жени  и общему выаоду источников, входного икомпенсирующег напр жений, друго вывод источника входного напр жени  соединен с шиной нулевого потенциала , и суммирующий хронометр, введены два блока формировани  модул  знакопеременного напр жени ,, безгистерезисный компаратор .и-триггер, выход которого подклю .чен к. управл ющим входам переключател  и суммирующего хронометра, входы блоков формировани  модул  знакопеременного напр жени  подключены соответственно к выходу иитегриругощего усилител  и общему выводу источников входного и компенсирующего напр жений, а выходы соединены со BXOflDi -oj безгистерезисиого KOMnapaTbpia, вы-. ход которого подключен ко входу триггера. На фиг. I приведена структурна  электрическа  схема аналогового шггегратора; на фиг. 2 - временные диаграмглы, иллюстрирующие работу интегратора. Аналоговый интегратор содержит интегрирующий усилитель 1, вход которого через переключатель 2 соед1Я1ен с нсточ1шком 3 входного и источником 4 компенсирующего напр жений. Источники 3 и 4 вктаочены встречно. С выходом усЕ-шител  -1 соединен вход блока 5 фop отpoвamш модул  зиакопереме шого напр жени . Вход второго блока б формировани  модул  соединен с источником 3 входного С5«-нала. Выходы блоков 5 и 6 соединены соответственно с входами без гистерезискогр компаратора 7. Выход компаратора 7 через счетный триггер 8 соединен с управл ющими входами переключател  и сум лиpyющero хронометра 9, На фиг. 2 изобра5кекы сле)аующив диаграм мы: а - входное (измер емое) напр жение источника 3; б - выходное напр жение реша ющего ус лзггел  1 (проинтегрированный сигнал ); в - модуль входного напр жени ; г модуль выходного напр жени  усилител ; д выходное напр жение компаратора 7; е - вы . ход триггера 8. Кроме того, обозначены моменты включени  ti, tj, ts и тд., а также моменты вьпслючсни  источника компенсирую щего напр жений ti, t, t| и т.д. При практическом осуществлении интегратора переключатель 2 может бьпь выполнен. например, в виде электромагнитного реле/об мотка включена на выход триггера 8. Блоки 5 и б формировани  модул  знакопеременно го напр жени  могут быть выполнены, напри ер, по схеме выпр мителей среднего значеи  на основе операционных усилителей. В ачестве безгистерезисного компаратора 7 можо использовать любой дифференциальный силитель, например операционный усилитель. Устройство работает следующим образом. Входное напр жение (фиг. 2, а) от источника 3 поступает на вход интегрирующего . усилител  1 через переключатель 2. Вследствне этого выходное напр жение (фиг. 2, б) усилител  1 начинает увеличиватьс . Это напр жение поступает на вход блока 5 формировани  модул  знакопеременного сигнала, напр жение на выходе котсГрого (фиг. 2, г) по абсолютной величине равно напр жению на выходе усилител  1, но всегда положительно . Напр жение источника 3 поступает также на вход блока 6, который работает аналогично блоку 5. Напр жение на выходе блока 6 (фиг. 2, в) по абсолютной величине равно напр жению источника 3 входного напр жени , но всегда положительно, напр жение с выходов блока 5 и 6 (фиг. 2, в и фиг. 2, г) сравниваетс  компаратором 7. В момент ti равенства указанных напр жений компаратор 7 вырабатывает импульс (фиг. 2, д), который поступает на счетный вход триггера 8, опрокидыва  последний (фиг. .2, с).-Триггер 8, воздейству  на управл ющий вход перек адчател  2, переводит его в верхнее положение . В этом случае источники 3 и 4 входного .и компенсирующего напр жений, включенные з тречно, подсоедин ютс  ко входу кнтег5Н1рующего усилител  1. Одновременно перепадом напр жени  с выхода триггера 8 включаетс  суммнр)пющий хронометр 9. Вследствие интегрировани  суммы напр жений источников 3 и 4 выходное напр жение усилител  1 начинает уменьщатьс  ,Сфиг- 2, б), а затем и мен ет свою пол рность. Б момент tij Соответствующий следующему после мо-менгы tj равенству модулей напр жени  источника 3 входного сигнала и выходного напр жени  усилител  1, т.е.- равенству напр жений 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 напр жени  и останавливает суммирующий хронометр 9. На вход интегрирующего. усилител  1 поступает напр жение источника 3, выходное напр жение усилител  1 начинает увеличиватьс . Далее все процессы с циклическим включением (момипы t2,-t3 И Т Л.) И выключением (моменты ti, tsH т.д.) источника 4 компенсирующего напр жени  и хронометра 9 в моменты равенства модулей напр жени  источника 3 входного напр жени  и напр жени  на вьпсо5 де усилител  1 (проинтегрированный сигнал) повтор ютс  в течение всего времени интегрировани . Величина интеграла оцениваетс  по суммарной продолхсительности включени  источника компенсирующего напр жени , измер емой суммирующим хронометром. Преимуществом предлагаемого аналогового интегратора  вл етс  существенно меньша  погрешность при интегрировании входных напр жений , измен ющихс  в широком диапазоне величин. Это преимущество основано на том, что в отличие от известного интегритора , в котором уровни проинтегрированного сигнала, соответствующие моментам включени  и выключени  источника компенсирующего напр жени , посто 1щы и не завис т от величины входного напр жени . В предлагаемом интеграторе эти уровни равны (по абсолютной величине) входному напр жению. 1Вследствие зтого длителикость отдельного щисла интегрировани  не увеличиваетс  при уменьшении величины входного напр жени  и поэтому погрешность интегрировани , определ ема  конечной величиной экв«1валентной посто нной времени решающего усилител , в частности утечкой в интегрийтощем конденсаторе , остаетс  практически неизменной при уменьшении входного напр жени . Следует также отметить, что в предлагаемом интеграторе имеет место дополнительное снижение, погрешности интегрировани . Это обусловлено тем, что проинтегрированный сиг нал измен етс  приблизительно симметрично относительно нулевого уровн . Поэтому среднее значение проинтегрированного сигнала (вь ходаого напр жени  решающего усилител ), о которого нар ду с утечкой в конденсаторе зависит погрешность интегрировани , мало, чт и ведет к дополнительному снижению погрешности . Формула изобретени  . . . .. Аналоговый интегратор, содержащий ннтегрнруюиуй усилитель, вход которого соелишен с подвижным контактом переключател  , неподвижные контакты которого подключены соответствекно к одному выводу источника кЪмпенсирующего напр жени  н общему выводу источников компенсирующего и входного напр жений , другой вывод источника входного напр жени  соединен с шиной нулевого потенциала , н суммируюшкй хронометр, отличающийс  тем, что, с целью кжышени  точности интегрировани  в широком диапазоне входных напр жений, в него введены два блока формировани  модул  знакоперемеииого напр жени , безгистерсзискый компаратор н триггер, выход которого подключен к управл вшим входам переключател  и суммирующего хронометра, входы блока формировани  модул  знакомеременного напр жени  подключены соответственно к выходу интегрирующего усилител  и общему выводу источников входного и компенсирующего напр жений, а выходы соединены со входами безгистерезисного компаратора, выход которого подключен ко входу триггера. Источники информации, . прин тые во внимание при экспертизе 1.Махнанов В. Д. н Мклохин М. Т. Устройство частотного и врем -импульсного пре .образовани . М., Энерги , 1970, с. , 115-119.
2. 2.Авторское свидетельство СССР К 374618, кл. G 08 G 7/18, 1971 (прототип).