Аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов
ANALOGUE INTEGRATOR OF PULSE SIGNAL SEQUENCE

Изобретение относится к промышленной электронике, импульсной технике и схемотехнике. Оно, в частности, может быть использовано для интегрирования последовательностей импульсных сигналов различной формы и для формирования импульсов с изменением напряжения в течение их длительности по закону степенных функций (импульсов линейно изменяющегося напряжения, квадратичных импульсов, кубичных импульсов и т.д.).
Известен интегратор на операционном усилителей (Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 454, рис. 6.16, а), содержащий операционный усилитель, первый резистор, один вывод которого соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а другой образует вход интегратора, второй резистор, включенный между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной ("землёй"), конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход последнего образует выход интегратора, операционный усилитель питается от блока источников постоянных напряжений, один из этих источников имеет положительное постоянное напряжение относительно общей шины ("земли"), другой - отрицательное постоянное напряжение относительно общей шины ("земли").
Недостаток его заключается в том, что с уменьшением погрешности интегрирования возрастает время восстановления интегратора - время, за которое схема приходит в исходное состояние. Это время разряда конденсатора после окончания импульса. В частности, при воздействии прямоугольного импульса на вход интегратора на выходе его получается импульс линейно изменяющегося напряжения. Коэффициент нелинейности его (относительная погрешность интегрирования в данном случае) определяется известной формулой
и
ξ = t  ,     (1)
где
э
τ= RC(K+1),     (2)
э
и
э
э
τ - эквивалентная постоянная времени, t - длительность импульса, R - сопротивление первого резистора, C - электрическая ёмкость конденсатора и K - коэффициент усиления операционного усилителя. Для обеспечения малой погрешности интегрирования ξ (1) значение эквивалентной постоянной времени τ (2) следует выбрать большим (часто за счёт коэффициента усиления K), тогда большое τ предопределяет очень и очень большое время восстановления схемы. В результате пауза между интегрируемыми входными импульсами должна быть очень и очень большой, а частота повторения - очень и очень низкой.
Известна схема интегратора с цепью обнуления (Опадчий Ф.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003, с. 306, рис. 2.18, б), содержащая операционный усилитель, первый резистор, один из выводов которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а другой образует вход интегратора, второй резистор, включенный между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землёй», конденсатор, включенный между инвертирущим входом и выходом операционного усилителя, выход последнего образует выход интегратора, включенный параллельно конденсатору управляемый ключ на полевом транзисторе, на вход которого подаются сигналы с формирователя импульсов управления ключом, операционный усилитель питается от блока источников постоянных напряжений, один из источников имеет положительное постоянное напряжение относительно «земли», другой – отрицательное напряжение относительно «земли».
э
Недостатком её является повышение погрешности интегрирования, вызванное обратным сопротивлением управляемого ключа на полевом транзисторе. При воздействии, например, прямоугольного импульса эквивалентная постоянная времени  τ,  определяется выражением
э
τ =  ,             (3)
обр
э
где R – обратное сопротивление ключа на полевом транзисторе (сопротивление его в разомкнутом состоянии). Даже при очень больших значениях коэффициента усиления K эквивалентная постоянная времени τ не может быть больше значения
τ<sub>э</sub> = CR<sub>обр</sub>.
(4)
Тогда не удаётся получить малое значение погрешности интегрирования ξ(1).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов (Патент РФ №2602377 G06G 7/168 Аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов /  Г. И. Передельский, И. А. Филиппский. – Опубл. в Бюл. 2016, № 32), содержащий операционный усилитель, блок источников питающих напряжений для операционного усилителя, четыре управляемых ключа, блок управления этими ключами, инвертор, два резистора и конденсатор.
Недостатком его является отсутствие возможности существенно уменьшить погрешность интегрирования.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в существенном уменьшении погрешности интегрирования при использовании последовательностей импульсных входных сигналов.
Это достигается тем, что в аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов, содержащий операционный усилитель, первый резистор, один из выводов которого соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, а другой образует вход интегратора относительно «земли», второй резистор, включенный между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землёй», конденсатор, один из выводов которого подключен к общему выводу первого резистора и инвертирующего входа операционного усилителя, первый управляемый ключ, включенный между «землёй» и общим выводом первого резистора, конденсатора и инвертирующего входа операционного усилителя, второй управляемый ключ включен между первым выходом блока двух источников постоянных питающих напряжений и выводом операционного усилителя для подключения питающего напряжения положительной полярности, третий управляемый ключ включен между вторым выходом блока двух источников постоянных питающих напряжений и выводом операционного усилителя для подключения питающего напряжения отрицательной полярности, один из выводов четвёртого управляемого ключа соединён с «землёй», общая шина блока двух источников постоянных питающих напряжений тоже заземлена, формирователь управляющих импульсов, вход которого соединён с общим выводом первого резистора и входа аналогового интегратора, а выход – с управляющими входами  первого и четвёртого управляемых ключей, а также со входом инвертора, выход последнего соединён с управляющими входами второго и третьего управляемых ключей, общие шины инвертора и формирователя управляющих импульсов заземлены, введён дополнительный операционный усилитель и изменено включение элементов, неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с выходом имеющегося операционного усилителя, а инвертирующий вход последнего – с инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, между собой соединены выводы для подключения положительного питающего напряжения дополнительного и имеющегося операционных усилителей, также для этих операционных усилителей соединены между собой выводы для подключения отрицательного питающего напряжения, к выходу дополнительного операционного усилителя подключены свободный вывод конденсатора и свободный (незаземлённый) вывод четвёртого управляемого ключа, общий вывод конденсатора, выхода дополнительного операционного усилителя и свободного (незаземлённого) вывода четвёртого управляемого ключа образует выход аналогового интегратора относительно «земли».
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг. 1).
Один из выводов резистора 1 соединён с инвертирующим входом первого операционного усилителя 2, выход которого подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 3. Другой вывод резистора 1 соединён с входом формирователя 4 управляющих импульсов и их общий вывод образует вход аналогового интегратора последовательности импульсных сигналов относительно «земли». Один вывод резистора 5 соединён с неинвертирующим входом операционного усилителя 2, а второй вывод его заземлён. Один вывод конденсатора 6 соединён с инвертирующим входом операционного усилителя 2, другой вывод его соединён с выходом операционного усилителя 3, который служит также выходом интегратора относительно «земли». Один вывод ключа 7 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 2, второй вывод его заземлён. Управляющий вход ключа 7 соединён с выходом формирователя 4 управляющих импульсов. Один вывод ключа 8 соединён с выводами операционных усилителей 2 и 3 для подключения положительного питающего напряжения, второй вывод ключа 8 соединён с первым выходом блока двух источников постоянных питающих напряжений 9 (с выходом источника положительного напряжения относительно «земли»). Общая шина блока источников питающих напряжений 9 заземлена. Один вывод ключа 10 соединён с выводами операционных усилителей 2 и 3 для подключения отрицательного питающего напряжения, второй вывод этого ключа соединён с выходом блока двух источников постоянных питающих напряжений 9 (с выходом источника отрицательного напряжения относительно «земли»). Один вывод ключа 11 соединён с выходом операционного усилителя 3, а второй вывод этого ключа заземлён. Управляющие входы ключей 7 и 11 соединены с выходом формирователя управляющих импульсов 4. Общая шина формирователя 4 заземлена. Управляющие входы ключей 8 и 10 соединены с выходом инвертора 12. Вход инвертора 12 соединён с выходом формирователя 4. Общая шина инвертора 12 заземлена.
Аналоговый интегратор последовательности импульсных сигналов работает следующим образом. В исходном состоянии сигнал на входе интегратора отсутствует. Ключи 7 и 11 замкнуты, ключи 8 и 10 разомкнуты. Конденсатор 6 разряжен. Питающие напряжения с блока двух источников постоянных питающих напряжений 9 на операционные усилители 2 и 3 не поступают, поскольку ключи 8 и 10 разомкнуты. Напряжение на выходе интегратора (выход операционного усилителя 3) равно нулю. При подаче на вход интегратора импульса напряжения этот импульс поступает также на вход формирователя управляющих импульсов 4. При поступлении этого импульса блок 4 формирует управляющий ключами импульс, поступающий на управляющие входы ключей 7 и 11 непосредственно с выхода блока 4, а на управляющие входы ключей 8 и 10 – через инвертор 12. В результате ключи 7 и 11 размыкаются, а ключи 8 и 10 замыкаются. Инвертирующий вход операционного усилителя 2 отключается от «земли». Также от «земли» отключен выход операционного усилителя 3. На питающие входы операционных усилителей 2 и 3 подаётся положительное (через ключ 8) и отрицательное (через ключ 10) постоянные питающие напряжения с блока двух источников постоянных питающих напряжений 9. Конденсатор 6 начинает заряжаться, на выходе интегратора появляется напряжение, форма которого определяется формой импульса на входе интегратора. По окончании входного импульса формирователь управляющих импульсов 4 замыкает ключи 7 и 11, а через инвертор  12  размыкает ключи 8 и 10. Питающие входы операционных усилителей 2 и 3 отключаются от выходов двух источников постоянных питающих напряжений 9 разомкнутыми ключами 8 и 10. Конденсатор 6 быстро разряжается через последовательно соединённые малые прямые сопротивления замкнутых ключей 7 и 11, и схема приходит в исходное состояние: ключи 7 и 11 замкнуты, ключи 8 и 10 разомкнуты. Конденсатор 6 разряжен, питающие напряжения с блока 9 на питающие входы операционных усилителей 2 и 3 не поступают, напряжение на выходе интегратора (выход операционного усилителя 3) равно нулю.
Таким образом, в аналоговом интеграторе последовательности импульсных сигналов после окончания входного импульса конденсатор 6 быстро разряжается (время восстановления схемы) через малые прямые сопротивления замкнутых ключей 7 и 11. Постоянная времени восстановления определяется выражением
В
6
пр7
пр11
τ = C(R+ R),                      (5)
6
пр7
пр11
В
э
где C – электрическая ёмкость конденсатора 6, R и R – прямые сопротивления замкнутых управляемых ключей 7 и 11. Малые значения сопротивлений последних предопределяют малые значения постоянной времени восстановления τ (5). При этом во время действия входного импульса обратное сопротивление разомкнутого управляемого ключа 11 подключено к выходу операционного усилителя 3 (включено между выходом и «землёй»). Обратное сопротивление разомкнутого управляемого ключа 7 включено между инвертирующим входом операционного усилителя 2 и «землёй». По сути, обратное сопротивление управляемых ключей здесь не включается параллельно конденсатору 6, не уменьшает эквивалентную постоянную времени τ (2) и не повышает погрешность интегрирования ξ (1).
Из описания работы схемы аналогового интегратора последовательности импульсных сигналов следует, что в паузе между входными импульсами интегратор находится в неработающем состоянии. Во время действия входного импульса этот интегратор находится в работающем состоянии. В частности, при входном импульсе прямоугольной формы относительная погрешность интегрирования определяется выражением (1), где эквивалентная постоянная времени определяется формулой
Э
1
6
2
3
τ= RC(KK +1),                       (6)
2
3
K и K – коэффициенты усиления операционных усилителей 2 и 3 соответственно. В прототипе эквивалентная постоянная времени находится из выражения
ЭП
1
5
2
τ= RC(K +1).                                   (7)
i
У операционных усилителей коэффициенты усиления имеют весьма большие значения (K >> 1), тогда
1
6
2
3
1
5
2
RC(KK +1) > RC(K +1),    (8)
П
а относительная погрешность интегрирования в приведенной схеме (ξ) существенно меньше такой погрешности в прототипе (ξ)
П
ξ <  ξ.                     (9)