Функціональний пристрій різниці сигналів

Реферат: Функціональний пристрій різниці сигналів містить перший, другий входи і вихід пристрою, резистивний дільник та операційний підсилювач, вихід якого через резистивний дільник заземлено, а точка ділення резистивного дільника підключена до інверсного входу операційного підсилювача. Додатково уведені другий операційний підсилювач та другий дільник на резисторах. Перший вхід пристрою через другий дільник на резисторах зв'язано з виходом пристрою і виходом уведеного операційного підсилювача, неінвертуючий вхід якого підключено до другого входу пристрою. Інвертуючий вхід уведеного операційного підсилювача з'єднано з виходом існуючого операційного підсилювача, який своїм неінвертуючим входом підключено до точки ділення другого дільника на резисторах. UA 111086 U (12) UA 111086 U UA 111086 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до області електроніки, радіоелектроніки. Він стосується схемотехніки застосування операційних підсилювачів (ОП) для побудови радіоелектронних пристроїв, приладів різноманітного призначення. Відомі схеми на операційних підсилювачах, які виконують операції різниці, перетворень заданого виду, чи підсилення з різним знаком [1]. Недоліки таких пристроїв полягають у диференціації схем за призначенням, а саме формування перетворення з різним знаком можливе різними схемами, при цьому коефіцієнти підсилення суттєво відрізняються. Так, схеми з інверсією функціонують як атенюатори і підсилювачі, а схеми без інверсії характеризуються тільки підсиленням. Особливо проблематичним є виконання різниці двох сигналів або її підсилення [3]. Відомі універсальні підсилювачі, які побудовано на базі інструментального підсилювача, потребують обов'язкового використання, крім схем підсилення, схеми різниці сигналів при тому, що на практиці формування різниці двох сигналів є складною операцією, оскільки вимагає узгодження щонайменше чотирьох резисторів [2]. Найбільш близьким за технічним рішенням є неінвертуюча схема на операційному підсилювачі, вихід якого через резистивний дільник на двох резисторах заземлено, а точка ділення резистивного дільника підключена до інверсного його входу [1]. Недоліками такого пристрою є обмежене функціонування, - виконання тільки операції підсилення без інверсії, відсутність можливості отримання різниці сигналів. Тому ця та жодна з відомих схем не характеризується універсальністю у використанні. Технічною задачею корисної моделі є розширення функціональних можливостей до виконання всієї сукупності операцій, включно різниці сигналів, за рахунок атенюації чи підсилення з різним знаком єдиним за модулем коефіцієнтом; підвищення точності перетворення завдяки узгодженню співвідношення опорів резисторів мостової схеми одним елементом за наявності двох незалежних коефіцієнтів підсилення. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій різниці сигналів, який містить перший, другий входи і вихід пристрою, резистивний дільник та операційний підсилювач, вихід якого через резистивний дільник заземлено, а точка ділення резистивного дільника підключена до інверсного входу операційного підсилювача, згідно з корисною моделлю, додатково уведені другий операційний підсилювач та другий дільник на резисторах, при цьому перший вхід пристрою через другий дільник на резисторах зв'язано з виходом пристрою і виходом уведеного операційного підсилювача, неінвертуючий вхід якого підключено до другого входу пристрою, при цьому інвертуючий вхід уведеного операційного підсилювача з'єднано з виходом існуючого операційного підсилювача, який своїм неінвертуючим входом підключено до точки ділення другого дільника на резисторах. На кресленні Фіг. 1 наведена схема принципова функціонального пристрою різниці сигналів. На Фіг. 2 зображено результат моделювання схеми за умови отримання різниці сигналів, підсиленої двома різними коефіцієнтами. За кресленням Фіг. 1, функціональний пристрій різниці сигналів містить входи 1 та 2 і вихід 3 з відповідними напругами U1, U2 та U3 , операційний підсилювач 4 - ОП1, який виходом 5 з напругою U6 через перший дільник 6 напруги на резисторах 7 - R 4 та 8 - R 3 , підключено до шини 9 нульового потенціалу (заземлення), а проміжна m-точка 10 з'єднання резисторів 7 - R 2 45 50 та 8 - R1 , з напругою U5 зв'язана з інвертуючим входом 11 операційного підсилювача 4 - ОП1. Операційний підсилювач 12-ОП2 виходом 13 з’єднано з виходом 3 пристрою та через другий дільник 14 напруги на резисторах 15 - R 4 та 16 - R 3 підключено до першого входу 1 пристрою. Проміжна n-точка 17 з'єднання резисторів 15 - R 4 та 16 - R 3 з напругою U4 зв'язана з неінвертуючим входом 18 операційного підсилювача 4 - ОП1. При цьому другий вхід 2 пристрою підключено до неінвертуючого входу 19 операційного підсилювача 12 - ОП2, інвертуючий вхід 20 якого з’єднано з виходом 5 операційного підсилювача 4 - ОП1. Роботу запропонованого функціонального пристрою різниці сигналів можна описати аналітично наступним чином. Функціональний пристрій різниці сигналів за Фіг. 1 дільниками 6 та 14 створює пропорції m , n ділення, які можна визначити відповідно: m 55 R3 R1 ; n . (1) R1  R 2 R3  R 4 З урахуванням (1), напруги U4 та U5 можна записати: U4  n  U3  (1  n)  U1 ; U5  m  U6 . 1 UA 111086 U Вихідна напруга U6 першого операційного підсилювача 4 - ОП1 складе: U6  K onU4  K onU5  nKonU3  (1  n)K onU1  mKonU6 ; U6  (1  mKon )  nKonU3  (1  n)K onU1 ; U6  nK on U3 (1  n)K on U1  . 1  mK on 1  mK on Це дозволяє визначити вихідну напругу U3 наступним чином: 5 U3  K onU6  K onU2  U3 (1  2 2 nKonU3 (1  n)K onU1   K onU2 ; 1  mKon 1  mKon 2 2 nK on (1  n)K on ) U1  K onU2 . 1  mKon 1  mK on Множник вихідної напруги U3 , після перетворень, складе 1 2 2 nK on 1  mK on  nK on . (2)  1  mK on 1  mK on Розрахунок вихідної напруги з урахуванням (2) визначить 10 2 (1  n)K on (1  mK on ) K (1  mK on ) U1  on U2 ; 2 2 (1  mK on )(1  mK on  nK on ) 1  mK on  nK on 2 2 (1  n)K on K on  mK on U3   U1  U2 . (3) 2 2 1  mK on  nK on 1  mK on  nK on 2 Після скорочення на K on у виразі (3) отримаємо наступне: U3   U3   (1  n) 2   m  n U1  m 2   m  n U2   1 n m U1  U2 , (4) n n 2 15 2 де:   1 K on  0 ;   1 K on  0 та m, n  1, Тоді з виразу (4) за доцільної умови: 1  n  m (5) U3  R (R  R 4 ) m (U2  U1 )  1 3 (U2  U1 ) . (6) n R 3 (R1  R 2 ) Умова (5) виконання операції різниці встановлює відповідність: 1 n  m ; 1 20 R3 R1 R2   ; R2R3  R2R4  R1R3  R2R3 . R1  R 2 R1  R 2 R 3  R 4 Після зведення подібних маємо таке визначення: R2R4  R1R3 . (7) Отримана рівність (7) відома, як баланс мостової схеми на резисторах R1  R4 . Вона є необхідною та достатньою умовою для операції різниці. З урахуванням вимоги (7) різниця напруг однозначно існує у випадках: U3  25 R1 (R 3  R 4 )   (U2  U1 )  K U1  K U2  (U2  U1 )  K U (U2  U1 ) , (8) R 3 (R1  R 2 ) де KU1  R1 R3 ; KU2  (R3  R4 ) (R1  R2 ) - коефіцієнти, що забезпечують підсилену K U  1 , послаблену K U  1 або компенсовану (KU1  KU2  1) різницю вхідних напруг з балансним (при 30 регулюванні одним резистором мостової схеми на резисторах R1  R4 ) чи диференційним способом керування, що реалізовано схемою, наведеною прикладом Фіг. 2. За умови балансу мостової схеми (7), функціональність пристрою забезпечує у випадках: 1) R1  R2  R3  R4 - різницю сигналів з підсиленням KU1  R1 R3 : U3  R1  (U2  U1 ) (9) R3 2) U1  0 - підсилення чи послаблення сигналу U2 без інверсії: U3  R1  U2 (10) R3 3) U2  0 , - підсилення чи послаблення напруги U1 , з інверсією: 35 U3   R1  U1 . (11) R3 4). При характерній для класичної рівності R1  R2  R3  R4 маємо тривіальний випадок одиничної реалізації операції різниці двох сигналів. 2 UA 111086 U 5 10 15 20 Отже, запропонований функціональний пристрій забезпечує до цього часу не реалізований комплекс операцій: власне, різницю, - підсилення/послаблення, - з інверсією/без інверсії різниці чи кожного з сигналів єдиним коефіцієнтом перетворення. Для виконання керованої операції різниці відпадає необхідність узгоджувати чотири резистори в схемі. Достатньо забезпечити необхідну та достатню умову (7) балансу в мостовій схемі, що здійснюється у балансному режимі одним елементом, або двома - диференційним способом. З аналітичного обґрунтування та наведеного прикладу (Фіг. 2) очевидна універсальність запропонованого пристрою. Підвищення точності перетворення досягається суттєво спрощеним узгодженням резисторів мостової схеми. У запропонованому вигляді технічне рішення розширює практичні можливості електроніки і може бути застосованим для побудови електронних пристроїв та вузлів радіоелектронної апаратури у всіх сферах технічного використання. Джерела інформації: 1. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир. 1988. - 583 с. ил. (глава 5. - С. 282-412). 2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: В 2-х т. - Т.1. Изд. стереотип. - М.: "Мир", 1984. - 598 с., ил., п. 7.09. - С. 451-454. 3. Д.О. Федотов, П.Д. Федотов, В.О. Алексеев Дослідження сустрактора та схем на його основі, побудованих на операційних підсилювачах // НТЖ "Технология приборостроения" 2007. № 1. - С. 21-25. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Функціональний пристрій різниці сигналів, що містить перший, другий входи і вихід пристрою, резистивний дільник та операційний підсилювач, вихід якого через резистивний дільник заземлено, а точка ділення резистивного дільника підключена до інверсного входу операційного підсилювача, який відрізняється тим, що додатково уведені другий операційний підсилювач та другий дільник на резисторах, при цьому перший вхід пристрою через другий дільник на резисторах зв'язано з виходом пристрою і виходом уведеного операційного підсилювача, неінвертуючий вхід якого підключено до другого входу пристрою, інвертуючий вхід уведеного операційного підсилювача з'єднано з виходом існуючого операційного підсилювача, який своїм неінвертуючим входом підключено до точки ділення другого дільника на резисторах. 3 UA 111086 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4