Результат интеллектуальной деятельности: Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Оно может быть использовано, в частности, для коммутации аналоговых напряжений, несущих информацию, в устройствах контроля, измерения, управления или исследования.

Известен детектор на транзисторном ключе (Груздев С.В., Прошин Е.М. Импульсная тензометрия. - М.: Энергия, 1976, рис. 32 на стр. 45), содержащий последовательно соединённые входной резистор, ключ на двух компенсированных транзисторах и конденсатор, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, а другой - с общим выводом, баз двух транзисторов, на первичную обмотку трансформатора подается сигнал управления.

Недостатком его является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время. Это связано с наличием трансформатора в цепи управления транзисторами. Трансформатор не трансформирует постоянные напряжения. А трансформация длительных неизменяющихся напряжений приводит к таким большим габаритным размерам и весу трансформатора, что он становится конструктивно несовместимым с остальной схемой и с элементами изделия.

Известна измерительная схема моста узкого диапазона (Малиновский В.Н. Цифровые мосты. - М.: Энергия, 1976, рис. 3-7, стр. 106), содержащая четырёхплечий мост, две клеммы для подключения формирователя питающего напряжения моста и требующееся число параллельно включенных цепей из последовательно соединённых резистора и ключа, эти цепи включаются параллельно резистору плеча с уравновешивающими элементами мостовой цепи.

Недостатком ее является понижение точности измерения из-за
составляющих погрешности от реального прямого сопротивления ключа
(сопротивления ключа в замкнутом состоянии), от реального обратного
сопротивления ключа (сопротивления ключа в разомкнутом состоянии), и от
остаточного напряжения ключа (напряжение на ключе в замкнутом
состоянии).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию (Патент РФ №2610298 Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию / Г.И. Передельский, Бюл. №4, 2017).

Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, содержащий источник входного напряжения, операционный усилитель, два управляемых ключа резистор нагрузки, два источника постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, и формирователь управляющих напряжений, общие шины трёх последних блоков и источника входного напряжения заземлены, выход последнего соединён с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход соединён с его выходом и образует выход управляемого коммутатора, резистор нагрузки включён между этим выходом и «землёй», вывод операционного усилителя для подключения положительного питающего напряжения через первый управляемый ключ соединён с выходом первого источника питающего напряжения, а вывод для подключения отрицательного питающего напряжения через второй управляющий ключ с выходом второго источника, два выхода формирователя управляющих напряжений соединены соответственно с управляющими входами двух управляемых ключей, на вход этого формирователя поступает напряжение управления.

Недостатком его является ошибка преобразования, связанная с реальным конечным значением коэффициента усиления операционного усилителя. Идеальный (без ошибки) коэффициент передачи управляемого коммутатора равен единице

k_пи =1. (1)

Реальный коэффициент передачи:

k_п=К/ (К+1), (2)

где К – коэффициент усиления операционного усилителя.

При К 1. При реальном конечном значении К следует найти возможность для приближения значения к единице и тем самым уменьшения ошибки преобразования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в уменьшении ошибки, связанной с реальным конечным значением коэффициента усиления операционного усилителя, т.е. при конечном значении этого коэффициента найти возможность для увеличения значения коэффициента передачи управляемого коммутатора и приближения этого коэффициента к единице.

Это достигается тем, что в управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, содержащий источник входного напряжения, операционный усилитель, резистор нагрузки, два управляемых ключа, источник постоянного положительного напряжения, источник постоянного отрицательного напряжения и формирователь управляющих напряжений, общая шина источника входного напряжения заземлена, а выход соединён с иеинвертирующим входом операционного усилителя, первый вывод резистора нагрузки и общие шины формирователя управляющих напряжений и двух источников постоянного напряжения заземлены, два вывода резистора нагрузки образуют выход управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию, первый управляемый ключ включён между выводом операционного усилителя для подключения положительного питающего напряжения и выходом источника постоянного положительного напряжения, второй управляемый ключ включён между выводом операционного усилителя для подключения отрицательного питающего напряжения и выходом источника постоянного отрицательного напряжения, управляющий вход первого управляемого ключа соединён с первым выходом формирователя управляющих напряжений, второй выход этого формирователя соединён с управляющим входом второго управляемого ключа, на вход формирователя управляющих напряжений подаются управляющие сигналы, введён дополнительный операционный усилитель и изменено соединение элементов, неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён выходом имеющегося операционного усилителя, инвертирующий вход последнего соединён с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя и их общий вывод соединён с выходом дополнительного операционного усилителя и с незаземлённым выводом имеющегося резистора нагрузки, вывод дополнительного операционного усилителя для подключения положительного питающего напряжения соединён с общим выводом первого управляемого ключа и выводом имеющегося операционного усилителя для подключения положительного питающего напряжения, вывод дополнительного операционного усилителя для подключения отрицательного питающего напряжения соединён с общим выводом второго управляемого ключа и выводом имеющегося операционного усилителя для подключения отрицательного питающего напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).

Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, включает в себя источник 1 входного напряжения, общая шина которого заземлена, а выход соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Инвертирующий вход его соединён с общим выводом инвертирующего входа и выхода второго операционного усилителя 3. Выводы для положительного питающего постоянного напряжения обоих операционных усилителей через управляемый ключ 4 соединены с выходом первого источника 5 положительного постоянного питающего напряжения. Общая шина этого источника заземлена. Управляющий вход ключа 4 соединён с первым выходом формирователя 6 управляющих напряжений для электронных ключей, общая шина которого заземлена, а на вход подается напряжение управления е_у. Выводы для отрицательного питающего постоянного напряжения обоих операционных усилителей через управляемый ключ 7 соединены с выходом второго источника 8 отрицательного постоянного питающего напряжения. Общая шина его заземлена. Управляющий вход ключа 7 соединён со вторым выходом формирователя 6 управляющих напряжений для электронных ключей. Выход второго операционного усилителя 3 подключён к первому выводу резистора 9, общий вывод которых образует выход коммутатора u_вых. Второй вывод резистора 9 нагрузки заземлён.

При отсутствии напряжения управления (е_у=0) управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, соответствует разомкнутому состоянию. На управляемые ключи 4 и 7 с выхода формирователя 6 управляющие напряжения не подаются, и они разомкнуты. Питающие постоянные напряжения с источников 5 и 8 на операционные усилители 2 и 3 не подаются, и они находятся в неработающем состоянии. Тогда выходное напряжение управляемого коммутатора отсутствует (u_вых=0).

Управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, работает следующим образом. При воздействии напряжения управления (е_у0) с выходов формирователя 6 на входы управляемых ключей 4 и 7 поступают напряжения, которые переводят эти ключи в проводящее состояние. Тогда на операционные усилители 2 и 3 поступают положительное и отрицательное питающие постоянные напряжения от источников 5 и 8, и они переходят в работающее состояние. Собранный на них неинвертирующий повторитель напряжения повторяет по форме и амплитуде напряжение с выхода источника 1 входного напряжения и создаёт его на выходе управляемого коммутатора напряжений, несущих информацию. При этом отсутствуют ограничения по длительности сигнала источника 1входного напряжения и соответственно выходного напряжения (u_вых) коммутатора напряжений, несущих информацию.

Коэффициент передачи управляемого коммутатора напряжений (фиг.1) определяется выражением

k_п =К₁К₂/(К₁К₂+1), (3)

где К₁,К₂ – коэффициент усиления первого и второго операционных усилителей 2 и 3 соответственно.

С учётом больших значений коэффициентов усиления и, в частности, одинаковых операционных усилителей в рассматриваемой схеме и в прототипе можно записать

К₁=К₂=К (4)

Тогда коэффициент передачи рассматриваемой схемы (фиг.1) больше коэффициента передачи прототипа

К₁К₂/(К₁К₂+1)К/(К+1), (5)

из-за наличия К₂.

Если управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, находится в непроводящем состоянии, то резистор 9 нагрузки шунтируется его обратным сопротивлением. Это обратное сопротивление в основном определяется двумя параллельно соединёнными сопротивлениями. Первое из них состоит из обратного сопротивления управляемого ключа 4 и последовательно соединённых сопротивлений нескольких p-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов операционных усилителей. Второе сопротивление - это тоже последовательно соединенные обратное сопротивление управляемого ключа 7 и сопротивление нескольких р-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов операционных усилителей. Если использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входах, то по существу исключается сопротивление части р-n переходов в непроводящем состоянии транзисторов, связанных этими входами. В общем случае обратное сопротивление рассматриваемого управляемого коммутатора (фиг.1) и обратное сопротивление прототипа имеют сопоставимые значения. В данном случае в рассматриваемом состоянии обратное сопротивление управляемого коммутатора не имеет существенного отрицательного значения, т.к. u_вых=0, а также значение сопротивления резистора 9 обычно много меньше значения обратного сопротивления.

Таким образом, управляемый коммутатор напряжений, несущих информацию, позволяет уменьшить ошибку, связанную с реальным конечным значением коэффициента усиления операционного усилителя. При конечном значении этого коэффициента найдена возможность для увеличения коэффициента передачи рассмотренного коммутатора и приближения его к идеальному значению – к единице.