ИНТЕГРАТОР С БОЛЬШИМ ВРЕМЕНЕМ ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении аналоговых измерительных устройств и различных устройств автоматики.
Известен интегратор с большим временем интегрирования, содержащий три операционных усилителя, резистивный делитель, интегрирующий конденсатор и резисторы (см.патент РФ №2034331 С1, Кл. G06G 7/18, 1995 г.)
Недостатком этого устройства является то, что реализовать большое время интегрирования при удовлетворительной точности удается только при наличии трех операционных усилителей, резистивного делителя, интегрирующего конденсатора и резисторов, что приводит к потенциальной неустойчивости интегратора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является интегратор, содержащий резистор, операционный усилитель и конденсатор обратной связи (см. Баскаков С.И. «Радиотехнические цепи и сигналы», М.: Высшая школа, 2005 г., с.361, рис.14.8 б).
Недостатком такого устройства является выполнение неравенства R>>Xc, что приводит к сильному ослаблению выходного напряжения и к недостаточной точности интегрирования сигналов большой длительности.
Технический результат полезной модели - повышение точности интегрирования.
Указанный технический результат достигается тем, что интегратор с большим временем интегрирования, содержащий операционный усилитель, выход которого через интегрирующий конденсатор соединен с инвертирующим входом, соединенным через входную ветвь с входом интегратора согласно полезной модели, во входную ветвь интегратора введена индуктивность, соединенная с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с параллельно соединенными ветвями с интегрирующим конденсатором, с резистором и с корректирующей цепью, состоящей из последовательно соединенных индуктивности и емкости, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала.
Существенными отличительными признаками предлагаемой полезной модели являются введение во входную ветвь интегратора индуктивного элемента и введение корректирующей цепи, состоящей из последовательной LC - ветви, соединенной параллельно с ветвью с резистивным элементом, которая параллельно подключена к интегрирующей ветви с конденсатором.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый интегратор отличается наличием индуктивного элемента и корректирующей цепочки со своими связями.
Использование индуктивного элемента во входной цепи интегратора в сочетании с корректирующей цепочкой позволяет без ослабления входного напряжения получать на выходе интегратора напряжение, тем самым повысить точность интегрирования сигналов с малой амплитудой и большой длительностью.
Схема заявляемого интегратора с большим временем интегрирования представлена на чертеже.
Интегратор с большим временем интегрирования содержит операционный усилитель 1, выход 2 которого, являющийся выходом интегратора, через интегрирующий конденсатор 3 соединен с инвертирующим входом 4. Инвертирующий вход 4 операционного усилителя 1 через входную ветвь, содержащую индуктивность 5, соединен с входом 6 интегратора. Выход 2 операционного усилителя 1 соединен с параллельно соединенными ветвями: с интегрирующим конденсатором 3, с резистором 7 и с корректирующей цепью, состоящей из последовательно соединенных индуктивности 8 и емкости 9. Один конец резистора 7 соединен с выходом 2 операционного усилителя 1, а другой конец - с инвертирующим входом 4. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен с шиной нулевого потенциала, которая является входом 10 и выходом 11 интегратора.
Интегратор работает следующим образом.
Будем считать, что на входе интегратора действует скачок напряжения
Для входной цепи операционного усилителя по второму закону Кирхгофа имеем:
вх.у
где u - напряжение на входных зажимах операционного усилителя. Напряжение на входе операционного усилителя
где µ - коэффициент усиления.
Напряжение на параллельно соединенных ветвях
Следовательно, наличие операционного усилителя позволяет пропорционально увеличивать напряжение, изменяющееся по следующему закону:
Для получения схемного решения, обеспечивающего заряд интегрирующего конденсатора, соединенного параллельно с корректирующей ветвью LC и резистором 7, через индуктивность 5, применим синтез во временной области. Рассмотрим соотношение, связывающее напряжение на конденсаторе и напряжение на входе
Здесь временная функция
где Т - время интегрирования.
Согласно теореме смещения вещественной переменной, временная функция uвых(t) имеет изображение по Лапласу
Функция передачи интегрирующего устройства
равна нулю при t<0 и обращается в ноль при t>Т, в интервале 0<t<Т передаточная функция H(s)=1/(sT), т.е. в конечном промежутке времени представляет собой функцию интегрирующего звена с коэффициентом пропорциональности 1/Т.
Чтобы получить интегрирующее устройство с функцией передачи (1), воспользуемся хорошо разработанным методом синтеза линейных электрических цепей во временной области.
При нормированной амплитуде входного сигнала Uвxm=1 и заменив Т в секундах на π в радианах, получим:
При s=jω
i
i
Нулями функции передачи (2) являются нули синуса, лежащие на оси ω (ω·π/2)=±iπ, ω=±2k (k=0,1,2,…).
Напишем числитель аппроксимирующей дроби
Нулями вещественной и мнимой частей знаменателя являются нули косинуса и синуса
K
K
ω=(2k+1), ω=±2k (k=0,1,2,…).
Запишем четную и нечетную части знаменателя дроби (2)
Учтя конечное число гиперболических функций, получаем функцию передачи интегратора n-го порядка
1
2
Коэффициенты A и А найдем из условия приравнивания H(s) и G(s) при s=0, s=j:
s=0, H(0)=1,
Отсюда
1
2
s=j, H(j)=2/(jπ), G(j)=A/(jA)
При n=1, получаем цепь четвертого порядка
21
22
21
Функцию передачи реализуем в виде реактивного четырехполюсника по двум элементам матрицы проводимостей Y и Y. Из условия обеспечения нечетности параметра Y, получаем
21
Проводимость передачи -Y имеет ноль при s=∝.
22
Проводимость Y имеет избыточные полюса s=±j2.
22
Реализацию начинаем с выделения из Y избыточного полюса, соответствующего проводимости
Эта проводимость реализуется ветвью из последовательной резонансной цепочки с индуктивностью 8 L=0.924 и емкостью 9 С=0.265, соединяемой параллельно резистору 7 R=1.
Остающаяся проводимость
реализуется индуктивностью 5 L=1.571 и интегрирующим конденсатором 3 С=0.283.
Пересчет параметров на заданное время интегрирования Т и заданное сопротивление R (денормировка) производится по соотношениям
Таким образом, интегрирующее устройство имеет параметры, позволяющие произвести интегрирование на интервале времени 0≤t≤Т с.