АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Известно устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, два операционных усилителя, конденсатор хранения, резистор цепи обратной связи, резистор ограничения, два встречно включенных диода (Жаворонкова М.С., Бондарь С.Н. Разработка быстродействующего устройства выборки и хранения повышенной точности // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь: АГРУС, 2011. С. 102, рис. 3).
Недостатком устройства является возникновение погрешности выборки аналогового напряжения, обусловленной тем, что за интервал стробирования (выборки) входное напряжение меняется, что приводит к неоднозначности определения выходного напряжения, поскольку оно зависит от времени стробирования. Причем отмеченная погрешность является принципиально неустранимой в силу выполнения условия (1).
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является аналоговое запоминающее устройство (патент RU 2020616, МПК G11C 27/00).
Аналоговое запоминающее устройство содержит: первый и второй накопительные конденсаторы; первый, второй и третий ключи; операционный усилитель; нагрузочный резистор; аттенюатор, при этом управляющий вход устройства соединен с управляющими входами ключей, а информационный вход устройства соединен с информационным входом третьего ключа; выход третьего ключа и второй выход аттенюатора подключены к информационному входу первого ключа, выход которого, через нагрузочный резистор, соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго накопительного конденсатора и входом аттенюатора; первый выход аттенюатора соединен с информационным входом второго ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и вторым выводом второго накопительного конденсатора; второй вывод первого накопительного конденсатора подключен к шине нулевого потенциала.
Возможны различные варианты исполнения аттенюатора:
- по первому варианту, аттенюатор содержит первый, второй и третий резисторы, а также повторитель напряжения, при этом первый и второй резисторы соединены последовательно, образуют делитель напряжения и включены между входом и шиной нулевого потенциала устройства, точка соединения первого и второго резисторов подключена к первому выходу аттенюатора и через повторитель напряжения и третий резистор подключена ко второму выходу аттенюатора;
- по второму варианту, аттенюатор выполнен в виде соединенных первого, второго, четвертого и пятого резисторов, при этом первый и второй резисторы соединены последовательно и образуют делитель, включенный между входом и шиной нулевого потенциала устройства, четвертый и пятый резисторы также соединены последовательно, образуют делитель, включенный между входом и шиной нулевого потенциала устройства, точки соединения первого и второго резисторов, а также четвертого и пятого резисторов, соединены соответственно с первым и вторым выходами аттенюатора;
- по третьему варианту, аттенюатор выполнен в виде первого, второго и третьего резисторов, при этом первый и второй резисторы соединены последовательно, образуют делитель и включены между входом и шиной нулевого потенциала устройства, точка соединения первого и второго резисторов подключена к первому выходу аттенюатора и через третий резистор соединена со вторым выходом аттенюатора.
Согласно прототипу, исполнение аттенюатора:
- по второму варианту, в случае интегрального исполнения, является достаточно сложной задачей из-за трудностей выполнения двух точных делителей с идентичными параметрами;
- по третьему варианту, сопровождается некоторым ухудшением условия заряда первого и второго конденсаторов, что приводит к снижению точности запоминания выборки мгновенного значения напряжения, поэтому рассматриваться в предлагаемой полезной модели не будут.
хранения
Недостатком данного устройства является влияние сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения Δt.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, заключается в снижении влияния сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения выборки мгновенного значения напряжения.
Технический результат достигается тем, что в аналоговое запоминающее устройство содержащее: первый и второй накопительные конденсаторы; первый, второй и третий ключи; операционный усилитель; нагрузочный резистор; аттенюатор, при этом управляющий вход устройства соединен с управляющими входами ключей; информационный вход устройства соединен с информационным входом третьего ключа; выход третьего ключа и второй выход аттенюатора подключены к информационному входу первого ключа, выход которого через нагрузочный резистор соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго  накопительного конденсатора и входом аттенюатора; первый выход аттенюатора соединен с информационным входом второго ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и вторым выводом второго накопительного конденсатора; второй вывод первого накопительного конденсатора подключен к шине нулевого потенциала, введен буферный повторитель напряжения на операционном усилителе, причем его вход соединен с выходом операционного усилителя, а выход буферного повторителя напряжения на операционном усилителе служит выходом устройства.
Аттенюатор содержит первый, второй и третий резисторы, а также повторитель напряжения, при этом первый и второй резисторы соединены последовательно, образуют делитель напряжения и включены между входом и шиной нулевого потенциала устройства, точка соединения первого и второго резисторов подключена к первому выходу аттенюатора и через повторитель напряжения и третий резистор подключена ко второму выходу аттенюатора.
Краткое описание чертежей
На фиг. приведена функциональная схема устройства.
Осуществление полезной модели
Аналоговое запоминающее устройство содержит: первый и второй накопительные конденсаторы 1 и 2; первый, второй и третий ключи 3, 4 и 8; операционный усилитель (ОУ) 5; нагрузочный резистор 6; аттенюатор 7; буферный повторитель напряжения на операционном усилителе (БПН на ОУ) 9; информационный вход 10 устройства; управляющий вход 11 устройства; выход 12 устройства, при этом управляющий вход 11 устройства соединен с управляющими входами ключей 3, 4 и 8, а информационный вход 10 устройства соединен с информационным входом третьего ключа 8; выход третьего ключа 8 и второй выход аттенюатора 7 подключены к информационному входу первого ключа 3, выход которого через нагрузочный резистор 6 соединен с первым выводом первого накопительного конденсатора 1 и неинвертирующим входом ОУ 5, выход которого соединен со входом БПН на ОУ 9, первым выводом второго накопительного конденсатора 2 и входом аттенюатора 7; первый выход аттенюатора 7 соединен с информационным входом второго ключа 4, выход которого соединен с инвертирующим входом ОУ 5 и вторым выводом второго накопительного конденсатора 2; второй вывод первого накопительного конденсатора 1 подключен к шине нулевого потенциала; выход БПН на ОУ 9 служит выходом 12 устройства.
Аттенюатор 7 содержит первый, второй и третий резисторы 13, 14 и 15, а также повторитель напряжения 16, при этом первый и второй резисторы, 13 и 14, соединены последовательно, образуют делитель напряжения и включены между входом аттенюатора 7 и шиной нулевого потенциала устройства, точка соединения первого и второго резисторов 13 и 1 подключена к первому выходу аттенюатора 7 и через повторитель напряжения 16 и третий резистор 15 подключена ко второму выходу аттенюатора 7.
Аналоговое запоминающее устройство работает следующим образом.
1
2
вкл.Кл3
вкл.Кл4
вкл.Кл8
выкл.Кл3
выкл.Кл4
выкл.Кл8
Исходно первый и второй конденсаторы 1 и 2, характеризующиеся номинальными значениями емкости С и С, а также первый, второй и третий ключи 3, 4 и 8, имеющие во включенном состоянии малые сопротивления r, r и r и выключенном состоянии большие сопротивления R, R и R, в первом приближении считают идентичными:
13
14
Первый и второй резисторы 13 и 14 аттенюатора 7 также считают идентичными и их сопротивления R = R = 2⋅R, а коэффициент передачи повторителя напряжения 16 близок к единице. При этом первый и второй конденсаторы 1 и 2 полагают разряженными.
Под влиянием сигнала источника управляющего напряжения, подключаемого между управляющим входом 11 и шиной нулевого потенциала устройства, первый, второй и третий ключи 3, 4 и 8 переводятся во включенное состояние. При этом с помощью второго ключа 4 к инвертирующему входу операционного усилителя 5 подключаются первый и второй резисторы 13 и 14 аттенюатора 7, которые образуют цепь отрицательной обратной связи.
При действии напряжения источника сигнала, подключаемого между информационным входом 10 и шиной нулевого потенциала устройства, через включенные третий и первый ключи 8 и 3 и резистор 6 происходит заряд первого конденсатора 1 с постоянной времени
i
где R - внутреннее сопротивление источника сигнала;
15
R - сопротивление третьего резистора 15 аттенюатора 7, выбираемое
l5
i
вкл
15
13
14
из условия R>>(R+r), реально R = R||R = R;
6
R - сопротивление нагрузочного резистора 6.
0
0
13
14
Получаемое на первом конденсаторе 1 напряжение передается на выход ОУ 5 с масштабным коэффициентом K (К = 1+R / R = 2), определяющимся цепью отрицательной обратной связи, которое с помощью первого и второго резисторов 13 и 14 ослабляется (в два раза) и в виде напряжения обратной связи поступает на первый выход аттенюатора 7 и через включенный второй ключ 4 воздействует на инвертирующий вход ОУ 5. Ослабленные напряжения беспрепятственно передаются также на выход повторителя напряжения 16. При данной ситуации разность напряжений, действующая между выводами третьего резистора 15 аттенюатора 7, оказывается незначительной по величине. В связи с этим влияние сопротивления третьего резистора 15 на процесс заряда первого конденсатора 1 заметно не сказывается.
Под влиянием разности напряжений, образуемой между выходом и инвертирующим входом ОУ 5, происходит заряд второго конденсатора 2 с постоянной времени (5):
С целью обеспечения равных постоянных времени заряда (4), (5) при идентичных параметрах (1), (2) номинальное значение сопротивления резистора 6 определяют из условия
Получаемое напряжение отрицательной обратной связи непрерывно сравнивается с напряжением, накапливаемым первым конденсатором 1, образуя между входами операционного усилителя 5 приращение напряжения ΔU. В связи с тем, что напряжение на инвертирующем входе ОУ 5 меньше напряжения, действующего на неинвертирующем входе, на величину ΔU, второй конденсатор 2 в установившемся режиме заряжается до напряжения, превышающего значение напряжения первого конденсатора 1 на величину этого приращения.
выборки
По окончании действия напряжения на управляющем входе 11 (по завершении времени выборки Δt), первый, второй и третий ключи 3, 4 и 8 переходят в выключенное состояние и устройство в целом переводится в режим хранения накопленной аналоговой информации.
При выключенном третьем ключе 8 напряжение с выхода повторителя 16 через третий резистор 15 беспрепятственно передается на второй выход аттенюатора 7 и далее на информационный вход первого ключа 3, и разность напряжений между его информационным входом и выходом становится такой же (близкой к нулю), что и разность напряжений, действующая между информационным входом и выходом второго ключа 4. В связи с этим первый и второй конденсаторы 1 и 2 начинают постепенно разряжаться с достаточно большими постоянными времени:
где K - коэффициент, характеризующий отношение напряжений, действующих между информационным входом и выходом первого и второго ключей 3 и 4 (этот коэффициент при оговоренных выше условиях весьма близок к единице);
вх.БПНнаОУ9
R - входное сопротивление БПН на ОУ 9;
вых.Кл4
вых.Кл4
выкл.Кл4
R - выходное сопротивление второго ключа 4 в выключенном состоянии, фактически, R = R и выражение (8) принимает вид (9):
В результате этого разность напряжений ΔU, действующая между входами операционного усилителя 5, во времени изменяется незначительно, поддерживая с достаточно высокой точностью постоянство запомненного выходного напряжения устройства.
При возобновлении сигналов на управляющем и информационном входах 11 и 10 устройства первый и второй конденсаторы 1 и 2 перезаряжаются с постоянными времени (4) и (5). Причем, если уровень информационного сигнала не превышает уровня хранимого напряжения, то первый и второй конденсаторы 1 и 2 разряжаются, а при обратной ситуации данных сигналов они подзаряжаются до уровня анализируемого сигнала.
Изменение выходного напряжения устройства в режиме хранения информации во времени t описывается выражением (10)
где U и U + ΔU - напряжения, действующие на первом и втором конденсаторах 1 и 2 в момент времени, когда устройство переходит в режим хранения информации;
t - текущее время, отсчитываемое с момента перехода устройства в режим хранения информации.
Соотношение (10) представим в другом виде:
В начальный момент времени, когда Δt=0
вых
0
Полагая, что по свойствам ОУ 5 ΔU = U(0)/K, выражение (10) приобретает вид:
Отсюда находим погрешность хранения информации в предлагаемом устройстве
0
Так как 1/K<<1, то соотношение для погрешности хранения информации (14) принимает удобный для практического использования вид:
В случае прототипа, постоянная времени разряда конденсатора 2 определяется выражением (16):
н
где R - сопротивление нагрузки аналогового запоминающего устройства (входное сопротивление последующего устройства, в частности аналого-цифрового преобразователя (АЦП)),
причем в случае интегрального исполнения аналогового запоминающего устройства, и применения его в связке с различными нагрузками (АЦП), входное сопротивление которых характеризуется условием (17)
хранения
где j - номер возможной нагрузки (последующего устройства), j ∈ [1;n], имеет место неопределенность значения эффективного времени хранения Δt - времени в течении которого выполняется условие (18)
где ξ - допустимая погрешность хранения информации.В предлагаемом устройстве эффективное время хранения стандартизовано, так как в результате использования БПН на ОУ 9 снижено влияние сопротивления нагрузки на значение величины эффективного времени хранения, поэтому правомерно условие (19)
.