Операційний блок аналогових обчислювальних пристроїв на керованому струмом джерелі напруги

Реферат: Операційний блок аналогових обчислювальних пристроїв містить вхідний операторний двополюсник, один вивід якого приєднаний до струмового входу джерела напруги, керованого струмом. UA 90236 U (54) ОПЕРАЦІЙНИЙ БЛОК АНАЛОГОВИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ НА КЕРОВАНОМУ СТРУМОМ ДЖЕРЕЛІ НАПРУГИ UA 90236 U UA 90236 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до аналогової обчислювальної техніки і стосується таких функціональних перетворювачів, як масштабна ланка, інвертор, диференціатор, інтегратор, і може бути використана у побудові аналогових обчислювальних машин та електричних аналогових та квазіаналогових моделей. Зазначені пристрої входять до числа базових аналогових схем моделюючих пристроїв. Відомий операційний блок містить вхідний операторний двополюсник, один з виводів якого приєднаний до інвертуючого входу операційного підсилювача (ОП). На інший вивід подається вхідний сигнал. Струм, утворений вхідним сигналом, подається на операційний підсилювач. Операційний підсилювач є підсилювачем постійного струму (ППС) з великим коефіцієнтом 6 підсилення (коефіцієнт підсилення типового ОП складає близько 10 ), охоплений глибоким від'ємним зворотним зв'язком. За допомогою різних комбінацій ємностей і резисторів на вході підсилювача і в колі його зворотного зв'язку, реалізуються математичні операції над неперервними величинами, представленими у вигляді напруг постійного струму, такі як: - множення на постійний коефіцієнт (масштабна ланка); - зміна знаку (інвертування в аналоговому сенсі); - інтегрування (у часі); - диференціювання (у часі) та ін. [1, 182-259; 2, 299-314; 3, 297]. Основні співвідношення між вхідним і вихідним сигналами операційного блока отримуються на підставі розгляду його узагальненої схеми, представленої на фіг. 1, на якій позначено: Zв х - вхідний операторний двополюсник, який у конкретному випадку може бути або резистором, або ємністю; Zзз операторний двополюсник зворотного зв'язку, який також може бути у кожному окремому випадку або резистором або ємністю; uв х - миттєва напруга на вході операційного блока; u'в х миттєва напруга на інвертуючому вході ОП; Zв их - миттєва напруга на виході ОП. Для вузла А на фіг. 1, використовуючи узагальнений метод вузлових напруг [4] і враховуючи, що u'в х  0 при K   , де K - коефіцієнт підсилення ОП, у кожному окремому випадку можна записати такі співвідношення між вхідною і вихідною напругами: - при Zв х  rв х; Zзз  rзз ; r uв их   зз uв х  K мuв х , rв х а при rв х  rзз : uвих  uв х , (1) тобто такий операційний блок реалізує операції множення на постійний коефіцієнт Kм  rзз / rв х та інвертування; 35 - при Zв х  rв х; Zзз  Сзз 1 uв их    uв хdt , (2) rв хCзз отже, такий операційний блок реалізує операцію інтегрування; 40 45 50 - при Zв х  Cв х; Zзз  rзз , du uв их  Cв хrзз в х , (3) dt таким чином, такий операційний блок реалізує операцію диференціювання. У наведених виразах (1), (2), (3) коефіцієнти rзз / rвх, 1/(rвхCзз ), Cвхrзз - вагові коефіцієнти. Недоліки наведеного операційного блока, який взято за прототип, - це те, що вихідна величина (uв их ) отримується інвертованою та наявність у схемах операційних блоків кіл зворотного зв'язку ОП. В основу корисної моделі поставлена задача усунення зазначених недоліків. Поставлена задача вирішується тим, що один вивід вхідного операторного двополюсника приєднаний до струмового входу джерела напруги керованого струмом. Струм, який утворює на вхідному операторному двополюснику вхідна напруга, як керуючий подається на джерело 1 UA 90236 U 5 напруги, що керується струмом (ДНКС), яке і утворює напругу, відповідну результату операції. Операційний підсилювач з колом зворотного зв'язку відсутній. Узагальнена схема пропонованого операційного блока показана на фіг. 2. При цьому для реалізації операцій: - множення на постійний коефіцієнт як вхідний операторний двополюсник Zв х використовується резистор з опором rв х , що забезпечує значення керуючого струму ДНКС iвх  uвх / rвх , тобто коефіцієнтом множення або ваговим коефіцієнтом є 1/ rв х ; - зміна знаку як вхідний операторний двополюсник Zв х використовується резистор із від'ємним опором ( rв х ) [5], що забезпечує значення керуючого струму ДНКС iв х  uв х / rв х , 10 15 20 25 30 35 тобто ваговим коефіцієнтом є (1/ rв х); - інтегрування як вхідний операторний двополюсник Zв х використовується індуктивність Lв х , що забезпечує значення керуючого струму ДНКС iв х  (1/ Lв х )   uв хdt ; - диференціювання як вхідний операторний двополюсник Zв х використовується ємність Св х , що забезпечує значення керуючого струму ДНКС iв х  Св х  duв х / dt . Джерело напруги, кероване струмом, утворює напругу, значення якої при коефіцієнті керування K кер  uв их / iв х  1 [Ом] чисельно дорівнює значенню вхідного струму, тобто отримується результат операції. Пропонований операційний блок має такі переваги у порівнянні із прототипом: - отримується пряме значення результату, хоча це не виключає при необхідності здійснювати інверсію. Для отримання інверсного значення напруга результату знімається із "від'ємної" клеми ДНКС, а "додатна" клема з'єднується із спільною точкою. Крім того, якщо вихідні клеми ДНКС приєднати до дільника напруги зі спільною середньою точкою, як показано на фіг. 3, то можна отримати парафазний вихідний сигнал. Отже, використання ДНКС дозволяє отримувати прямий, інвертований, а також парафазний сигнал як результат операції, що значно спрощує побудову моделей складних об'єктів, які описуються інтегро-диференціальними рівняннями; - зазначене значення коефіцієнта керування не виключає значення, відмінні від K кер  1 , що дозволяє здійснювати масштабування отриманого результату; - використання операційного блока з кількома вхідними операторними двополюсниками за схемою, представленою на фіг. 4, дозволяє отримувати алгебраїчну суму результатів окремих операцій, оскільки i'в х  iв х1  iв х2  ...  iв хn ; - відсутні кола зворотного зв'язку. Як приклади зазначеного операційного блока далі показано їх реалізацію в моделюючому середовищі Electronics Workbench [6]. Так, на фіг. 5 показано скриншот із схемою і результатами досліду реалізації диференціатора, який складається із ємності Cin  0,1Ф і ДНКС-CCVS із коефіцієнтом керування K кер  1 [Ом]. Вхідний сигнал утворюється функціональним генератором і являє собою 40 45 50 синусоїдальні коливання з параметрами: Um  10 В, частота f  1 Гц, скважність 50 %, тобто uвх  Um sin( 2  f  t )  10  sin( t ) . На показаній осцилограмі вхідному сигналу відповідає синусоїда більшого розмаху. Вихідний сигнал повинен відповідати виразу . Цей вихідний сигнал на uвих  iвих  Cin  duвх / dt  0,1 10  2  cos(2  f  t )  6,283  cos(t ) осцилограмі відтворює косинусоїда меншого розмаху, тобто диференціатор виконує свою функцію із врахуванням вагового коефіцієнта Сin  0,1. На фіг. 6 показано скриншот із схемою і результатами досліду традиційної реалізації диференціатора на операційному підсилювачі (ОП). Як видно, отриманий вихідний сигнал збігається із вихідним сигналом, який утворюється за допомогою ДНКС за виключенням того, що диференціатор на ОП утворює інвертований результат операції. На фіг. 7 показано скриншот із схемою і результатами досліду реалізації інтегратора, який складається із індуктивності Lin  1 Гн і ДНКС-CCVS із коефіцієнтом керування K кер  1 [Ом]. Вхідний сигнал утворюється у такий же спосіб, як і у попередньому досліді, тобто uв х  Um sin( t )  10  sin( t ) . На показаній осцилограмі вхідному сигналу відповідає синусоїда більшого розмаху. Вихідний сигнал повинен відповідати виразу: 2 UA 90236 U uв их  iв их   1 1 1 1  uв хdt  L  Um sin( t )dt  L Um   (1)  cos(t )  C  Lin in in Um 10  cos(2ft)  C   cos(2  1 t )  C  159 cos(t )  C. , 2fLin 2  1 1 При 5 10 15 t  0 iв их  0 , тому постійна інтегрування С  159 . Отже, вихідна напруга , змінюватиметься за виразом uв их  159 сos(t )  159 , що відображує осцилограма, тобто , , інтегратор виконує свою функцію. На фіг. 8 показано скриншот із схемою і результатами досліду традиційної реалізації інтегратора на ОП. Як видно, отриманий вихідний сигнал збігається із вихідним сигналом, який утворює пропонований операційний блок на ДНКС за винятком того, що інтегратор на ОП утворює вихідний сигнал як інвертований результат операції. На фіг. 9 як ілюстрація показано скриншот із схемою і результатами досліду реалізації пристрою, на виході якого утворюється сума трьох сигналів - результатів диференціювання, інтегрування, які утворюються так само, як у попередніх двох дослідах, та постійної величини. Струм, що утворюється на вході ДНКС (а відповідно і напруга на виході ДНКС), визначається виразом: uв их  iв их  1 Lin1  uв хdt  Cin2 duв х U0 .  dt rin3 Враховуючи зазначені на схемі параметри вхідних елементів та сигналів, будемо мати: 20 iв их  1 Lin 1  uв хdt  Cin 2    Cin  2Um  cos(t )  duв х U0 Um    cos(t )  C  dt rin  3   Lin 1 U0 rin  3  1    cos(t )  U0  C   Um  Cin  2  2  rin  3  Lin 1     1    cos(t )  U0  C  5,24 cos(t )  10,3 C  5,3 ,  Um  Cin  2  2  rin  3  Lin 1    що і відображує наведені в однаковому масштабі осцилограми вхідного (синусоїда) та вихідного (косинусоїда зміщена вгору) сигналів. 25 30 35 40 Джерела інформації: 1. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994. - 352 с. 2. Уве Наундорф. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование. - М.: Техносфера, 2008. - 472 с. 3. Энциклопедия кибернетики: в 2 т. Т. 2. Мих - Яч / ред. В.М. Глушков [та ін.]. - К.: УСЭ, 1974. - 624 с. 4. Карандаков Г.В., Кривенко В.І., Суботіна В.К. Деяке узагальнення методів вузлових напруг і контурних струмів для розрахунку електричних кіл змінного струму довільної форми із активними і реактивними опорами. / Вісник НТУ: В 2 частинах: ч.2. - К.: НТУ, 2010. - Випуск 21. 452 с. 5. Патент на корисну модель № 59292, Україна, МПК G06G 7/100, Карандаков Г.В., Кривенко В.І., від 10.05.2011, бюл. № 9, 2011 р. 6. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: в 2 т. / ред. Д.И. Панфилов. - М.: Изд-во "Додека", 1999. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Операційний блок аналогових обчислювальних пристроїв, що містить вхідний операторний двополюсник, який відрізняється тим, що один вивід вхідного операторного двополюсника приєднаний до струмового входу джерела напруги, керованого струмом. 3 UA 90236 U UA 90236 U 5 UA 90236 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6