×
04.04.2018
218.016.365f

Аналоговый интегратор

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002646377
Дата охранного документа
02.03.2018
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к промышленной электронике. Технический результат направлен на уменьшение погрешности интегрирования. Аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, а также дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и измененное соединение элементов, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с общим выводом имеющегося первого резистора, инвертирующих входов имеющихся двух операционных усилителей и имеющегося первого конденсатора, выход дополнительного операционного усилителя образует выход относительно «земли» аналогового интегратора, с этим выходом соединён второй свободный вывод имеющегося первого конденсатора, между инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя и выходом имеющегося второго операционного усилителя включены параллельно соединённые дополнительный конденсатор и дополнительный первый резистор, второй дополнительный резистор включен между «землей» и общим выводом дополнительного конденсатора, дополнительного первого резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя. 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Оно, в частности, может быть использовано для интегрирования аналоговых электрических напряжений, изменяющихся во времени.

Известна схема интегратора (Опадчий Ю.Ф., Глудкин Ю.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая линия. – Телеком, 2003, с.306, рис. 8.12, а), содержащий операционный усилитель, резистор и конденсатор, неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён, один из выводов резистора соединён с его инвертирующим входом, а другой вывод образует вход схемы интегратора относительно «земли», конденсатор включен между инвертирующим входом операционного усилителя и его выходом, этот выход также образует выход схемы интегратора относительно «земли» .

Недостатком его является ограниченная точность интегрирования. Идеального преобразования электрических сигналов в том числе идеального интегрирования, как правило, не бывает. Погрешность операции интегрирования ограничивает точность интегрирования. Эта погрешность зависит от эквивалентной постоянной времени интегрирования

где R и С – сопротивление и ёмкость интегратора, K – коэффициент усиления операционного усилителя (справочный параметр). В частности, при воздействии на вход интегратора чередующихся перепадов напряжения положительной и отрицательной полярности с плоскими вершинами между перепадами на выходе получается чередующиеся возрастания и убывания напряжений по закону близкому к линейному. Например, в интервале времени возрастания выходного напряжения коэффициент нелинейности определяется известным выражением

В данном случае этот коэффициент является относительной погрешностью интегрирования. Для обеспечения малой погрешности интегрирования (2) значение эквивалентной постоянной времени (1) следует выбирать большим во многом за счёт увеличения коэффициента усиления K операционного усилителя. Значение K является ограниченным и соответствует современным уровням схемотехники и технологии изготовления изделий микроэлектроники. Ограниченное значение K, ограничивает эквивалентную постоянную времени (1) и ограничивает повышение точности интегрирования. Имеется потребность в повышении точности интегрирования электрических сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа аналоговый интегратор (Патент РФ № 2602374. Аналоговый интегратор / Г.И. Передельский, Бюл. 2016, № 32), содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлен, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, второй (свободный) вывод первого конденсатора соединён с выходом второго операционного усилителя и полученный общий вывод является выходом относительно «земли» аналогового интегратора.

Недостатком его является ограниченная точность интегрирования, определяющаяся погрешностью операции интегрирования.

В частности, при воздействии на вход интегратора чередующихся перепадов напряжения положительной и отрицательной полярности с плоскими вершинами относительная погрешность интегрирования определяется выражением

(3)

где – интервал времени между двумя соседними перепадами входного напряжения, и – сопротивление и емкость интегрирующей цепи, и - коэффициенты усиления первого и второго операционного усилителя и − коэффициент передачи делителя напряжения на двух последовательно соединённых резисторах. Для обеспечения малого значения относительной погрешности интегрирования следует обеспечить большое значение знаменателя в (3). Это во многом можно реализовать за счёт увеличения значения коэффициентов усиления и . Но реально коэффициент усиления операционных усилителей является ограниченным и имеет определённое, конкретное значение. В рамках ограниченных и определённых значений этих коэффициентов следует найти возможность для уменьшения погрешности интегрирования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении погрешности интегрирования.

Это достигается тем, что в аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлён, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, введены дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и изменено соединение элементов, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с общим выводом имеющегося первого резистора, инвертирующих входов имеющихся двух операционных усилителей и имеющегося первого конденсатора, выход дополнительного операционного усилителя образует выход относительно «земли» аналогового интегратора, с этим выходом соединён второй (свободный) вывод имеющегося первого конденсатора, между инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя и выходом имеющегося второго операционного усилителя включены параллельно соединённые дополнительный конденсатор и дополнительный первый резистор, второй дополнительный резистор включен между «землей» и общим выводом дополнительного конденсатора, дополнительного первого резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).

Аналоговый интегратор содержит три операционных усилителя 1, 2 и 3. Инвертирующие входы их соединены вместе и образуют общий вывод инвертирующих входов операционных усилителей. К этому общему выводу подключен первый вывод резистора 4, второй вывод которого образует вход относительно «земли» аналогового интегратора. Выход третьего операционного усилителя 3 образует выход относительно «земли» аналогового интегратора. Неинвертирующие входы каждого операционного усилителя через резисторы 5, 6 и 7 соединены с «землёй». Между выходом первого операционного усилителя 1 и общим выводом резистора 6 и неинвертирующего входа второго операционного усилителя 2 включены параллельно соединенные конденсатор 8 и резистор 9. Также между выходом второго операционного усилителя 2 и общим выводом резистора 7 и неинвертирующего входа третьего операционного усилителя 3 включены параллельно соединённые конденсатор 10 и резистор 11. Между общим выводом инвертирующих входов всех трёх операционных усилителей и выходом третьего операционного усилителя 3 включен конденсатор 12.

В исходном состоянии входное напряжение аналогового интегратора равно нулю (), выходное напряжение его тоже равно нулю ().

Аналоговый интегратор работает следующим образом. При выборе операционных усилителей в схеме на фиг.1 с большим коэффициентом усиления получаем, что напряжение на их инвертирующих входах относительно «земли» имеет весьма малое значение (исчезающее малое значение, виртуальный нуль). Тогда сила электрического тока через резистор 4 определяется выражением

Этот ток замыкается на ёмкость конденсатора 12

особенно при операционных усилителях с полевыми транзисторами на входах. Сила электрического тока () и напряжение () на ёмкости связаны между собой известной зависимостью

(6)

Напряжение на ёмкости с учётом ранее приводимого виртуального нуля является по сути выходным напряжением аналогового интегратора. Используя (4), (5) из (6), получаем

т.е. выходное напряжение аналогового интегратора пропорционально интегралу от его входного напряжения.

В частном случае при неизменяющемся входном напряжении выходное напряжение интегратора изменяется по почти линейному закону. Относительная погрешность в этом случае совпадает с коэффициентом нелинейности (2), где эквивалентная постоянная времени для схемы на фиг.1.

где, и – коэффициенты усиления соответственно операционных усилителей 1, 2 и 3, − коэффициент передачи делителя на сопротивлениях и резисторов 6, 9, − коэффициент передачи делителя на сопротивлениях и резисторов 7, 11

В аварийных режимах максимальное выходное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 1 может превысить допустимое входное напряжение операционного усилителя 2 (справочный параметр). Для устранения этого введена электрическая цепь (делитель напряжения) на резисторах 6 и 9. Коэффициент передачи его должен удовлетворять условию

Вместе с этим сумма сопротивлений и не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки () операционного усилителя 1 (справочный параметр)

Операционные усилители имеют входную паразитную ёмкость (). Эта ёмкость операционного усилителя 2 шунтирует резистор 6, поэтому конденсатор 8 введён для ослабления искажения передаваемого сигнала на высоких частотах. Для этого значение коэффициента передачи делителя на сопротивлениях и должно равняться значению коэффициента передачи делителя на ёмкостях и

Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе десяти вольт. Допустимое входное напряжение для них лежит в районе единиц вольт. Из (10) значение коэффициента передачи определяется не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно находится в районе значений 0,3÷0,7.

Приведённые последние положения для двух операционных усилителей 1 и 2 в полной мере соответствуют таким же положениям для двух операционных усилителей 2 и 3. Этим положениям соответствуют формулы:

которые аналогичны выражениям (10), (11) и (12).

В общем случае при заряде ёмкости от неизменяющегося напряжения зарядный ток убывает. В рассматриваемой схеме на фиг. 1 это убывание электрического тока существенно ослабляется имеющейся отрицательной обратной связью, которая замыкается через ёмкость . Это приводит к существенному уменьшению погрешности интегрирования. В случае неизменяющегося входного напряжения в интервале времени относительная погрешность интегрирования аналогового интегратора (фиг.1) с учётом (2) и (8) определяется выражением

Сопоставление формул (16) и (3) приводит к неравенству

из-за наличия в знаменателе в левой части . Таким образом, погрешность интегрирования в рассмотренном аналоговом интеграторе (фиг. 1) меньше, чем в прототипе (17).

Аналоговый интегратор, содержащий два операционных усилителя, два конденсатора и четыре резистора, первый резистор подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод этого резистора образует вход относительно «земли» аналогового интегратора, второй резистор включен между «землей» и инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с первым выводом первого конденсатора и с общим выводом первого резистора и инвертирующего входа первого операционного усилителя, к выходу этого усилителя подключена цепь из последовательно соединённых третьего и четвёртого резисторов, свободный вывод последнего резистора заземлён, а параллельно третьему резистору включен второй конденсатор, общий вывод второго конденсатора, третьего и четвёртого резисторов соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, отличающийся тем, что в него введены дополнительный операционный усилитель, дополнительный конденсатор, два дополнительных резистора и изменено соединение элементов, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с общим выводом имеющегося первого резистора, инвертирующих входов имеющихся двух операционных усилителей и имеющегося первого конденсатора, выход дополнительного операционного усилителя образует выход относительно «земли» аналогового интегратора, с этим выходом соединён второй свободный вывод имеющегося первого конденсатора, между инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя и выходом имеющегося второго операционного усилителя включены параллельно соединённые дополнительный конденсатор и дополнительный первый резистор, второй дополнительный резистор включен между «землей» и общим выводом дополнительного конденсатора, дополнительного первого резистора и неинвертирующего входа дополнительного операционного усилителя.
Аналоговый интегратор
Аналоговый интегратор
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 62.
27.01.2013
№216.012.20e1

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, в частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Техническим результатом заявленного изобретения является...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473918
Дата охранного документа: 27.01.2013
10.02.2013
№216.012.246e

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Техническим результатом является обеспечение возможности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474828
Дата охранного документа: 10.02.2013
20.02.2013
№216.012.2803

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, мостовую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475763
Дата охранного документа: 20.02.2013
20.02.2013
№216.012.2804

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002475764
Дата охранного документа: 20.02.2013
10.10.2013
№216.012.7458

Измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Устройство содержит последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций, измерительную цепь, аналоговый сумматор и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002495441
Дата охранного документа: 10.10.2013
10.10.2013
№216.012.7459

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, в частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002495442
Дата охранного документа: 10.10.2013
20.11.2013
№216.012.8334

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Мост содержит две параллельные ветви,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002499264
Дата охранного документа: 20.11.2013
27.11.2013
№216.012.860f

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор, мостовую цепь и нуль-индикатор. Первый выход генератора подключен ко входу четырехплечей мостовой цепи, который образует общий вывод двух параллельно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002499997
Дата охранного документа: 27.11.2013
10.12.2013
№216.012.8a0f

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, оно может быть использовано для измерения параметров объектов, которые можно представить схемами замещения в виде многоэлементных пассивных двухполюсников, а также его можно использовать для определения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002501025
Дата охранного документа: 10.12.2013
10.03.2014
№216.012.aa4b

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения. Мостовой измеритель содержит последовательно соединенные генератор питающего сигнала, мостовую цепь и нуль-индикатор. Генератор содержит формирователи прямоугольных,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509310
Дата охранного документа: 10.03.2014
Показаны записи 1-10 из 76.
10.11.2014
№216.013.04b6

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике, в частности, оно позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532604
Дата охранного документа: 10.11.2014
10.11.2014
№216.013.0511

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор импульсов с изменением напряжения в импульсе по закону степенных функций, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Генератор состоит из формирователей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532695
Дата охранного документа: 10.11.2014
10.01.2015
№216.013.18a8

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и промэлектронике. В частности, устройство позволяет определять параметры четырехэлементных двухполюсников или параметры датчиков с четырехэлементной схемой замещения. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537740
Дата охранного документа: 10.01.2015
10.01.2015
№216.013.1d5e

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения физических величин посредством параметрических датчиков. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов с изменением напряжения в течение их...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538946
Дата охранного документа: 10.01.2015
10.02.2015
№216.013.26f2

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к метрологии. Измеритель содержит генератор, мост, нуль-детектор. Генератор содержит формирователи импульсов, синхронизатор, коммутатор, усилитель мощности. Первая ветвь моста содержит объект измерения и одиночный резистор, общий вывод которых образует первый выход моста....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541423
Дата охранного документа: 10.02.2015
20.02.2015
№216.013.2baf

Мостовой измеритель параметров n-элементных двухполюсников

Изобретение относится к области метрологии. Измеритель содержит генератор импульсов, мостовую цепь, нуль-индикатор. Мостовая цепь состоит из двух ветвей. Первая ветвь содержит клеммы и одиночный резистор. Вторая ветвь содержит два последовательно соединенных двухполюсника. Выходы мостовой цепи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542640
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.04.2015
№216.013.42c8

Измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике, управлению и промышленной электронике. Измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов, четырехполюсник с двухполюсником объекта измерения и двухполюсником с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002548594
Дата охранного документа: 20.04.2015
27.04.2015
№216.013.468f

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит генератор питающих импульсов, четырехплечую мостовую цепь и нуль-индикатор. Мостовая цепь содержит две ветви, первая из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549567
Дата охранного документа: 27.04.2015
20.11.2015
№216.013.9233

Мостовой измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к промышленной электронике, автоматике, информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и определения параметров двухполюсников. Мостовой измеритель параметров двухполюсников содержит последовательно соединенные генератор питающих импульсов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569043
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.02.2016
№216.014.cf41

Измеритель параметров двухполюсников

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и управлению и может быть использовано для контроля и определения параметров объектов измерения и физических величин посредством параметрических датчиков. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002575626
Дата охранного документа: 20.02.2016
+ добавить свой РИД