научная статья по теме МИКРОСХЕМНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ИНТЕГРАТОРЫ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «МИКРОСХЕМНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ИНТЕГРАТОРЫ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ»

УДК 621.3.049.77:681.5

МИКРОСХЕМНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ИНТЕГРАТОРЫ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ

В. П. Морозов

Рассмотрены варианты реализации операции аналогового интегрирования на современной микроэлектронной компонентной базе. Приведены результаты экспериментов по определению динамических ошибок интегрирования в серийной микросхеме.

Ключевые слова: непрерывные сигналы, аналоговое интегрирование, динамические погрешности.

Операционный блок (ОБ), выполняющий интегрирование, во многом определяет массогабаритные и метрологические характеристики устройств обработки непрерывных сигналов и аналоговых процессоров. Реализовать аналоговый интегратор в виде микросхемы по ряду причин длительное время не удавалось. Однако прогресс в технологии привел к выпуску несколькими фирмами полностью микросхемных аналоговых интеграторов (МСИ), основное назначение которых — усиление заряда при совместной работе с ионизационными камерами или другими токовыми датчиками. Перспективы применения МСИ для аналоговых вычислений, где требования к характеристикам отличаются от устройств измерения заряда, позволят оценить сравнение их характеристик с ОБ на дискретных элементах.

Типовой аналоговый интегратор [1] на отечественной компонентной базе содержит несколько смонтированных на плате отдельных элементов: микросхемный операционный усилитель, микросхему аналоговых ключей, конденсатор, резисторы. Состав вспомогательных элементов несколько различается для интеграторов с разным числом входов и работающих в различных режимах.

В качестве примера рассмотрим интегрирующий ОБ для устройства аналогового моделирования систем управления в ускоренном масштабе времени. В зависимости от внешних логических сигналов, управляющих электронными ключами, такие ОБ работают в двух- или трехтактном режиме. Операцию, выполняемую двухтактным многовходовым интегратором, можно описать выражением:

UbMx(t) =

-UНУ(t) при t< t0

-и ■ "pi

1J

X Ki ивх i( t) Li = 1 -

dt - ину( to), (1)

при t > t(

o

где ивых(/) — выходное напряжение; иНУ(/) — напряжение на входе начальных условий (НУ); ивх() — напряжения на входах интегратора с коэффициентами передачи тока К/ = 1/Я/; ¿¡о — момент переключения из режима установки НУ в режим интегрирования; Греш —

длительность такта интегрирования. Знаки соответствуют сигналам в ОБ на операционных усилителях (ОУ) с отрицательной обратной связью.

Операция (1) реализуется, например, в структуре рис. 1, где состояния ключей К1, К2 соответствуют такту интегрирования. В такте ввода НУ состояние ключей обратное. Известны также многорежимные [1] и мно-готактные интеграторы для измерительных целей [2].

При решении ряда задач ввод (установку) НУ требуется осуществлять перед каждым тактом интегрирования. В структуре на рис. 1 для этого предусмотрен отдельный вход, на котором напряжение Uhy присутствует постоянно, но устанавливается лишь во время нахождения ключа К1 в проводящем состоянии. В итоге относительная динамическая погрешность установки НУ определяется передаточной функцией инерционного звена от входа НУ до напряжения на конденсаторе и

-Тну/RC

составляет 5НУ = e , а минимальный период

повторения тактов интегрирования ограничивается величиной T l (—1п5ну)^С. Соответственно, снижается и частота повторения решений при моделировании. Однако возможность реализации трех режимов (интегрирование — хранение — установка НУ) и предсказуемость значения 5НУ ввиду монотонного характера переходного процесса является достоинством такой структуры.

В одиночном МСИ типа IVC102 фирмы Burr-Brown или сдвоенном типа ACF2101 фирмы Texas Instruments конденсаторы и ключи выполнены встроенными. Для разряда конденсатора предусмотрен параллельный ключ

Рис. 1

n

и

Датчики и Системы • № 2.2010_ 45

Рис. 2

сброса К1, входную цепь коммутирует последовательный ключ К2 (рис. 2).

Общая емкость встроенных интегрирующих конденсаторов в упомянутых МСИ составляет 100 пФ, что недостаточно для ускоренного моделирования при длительности такта решения 0,2...1 мс. Кроме того, в структуре на рис. 2 не предусмотрен непосредственный ввод НУ, возможен только режим возврата (разряд конденсатора). Поэтому при интегрировании в соответствии с формулой (1) напряжение 6Ну придется подавать на входы последующих ОБ, что вдвое сокращает диапазон изменения выходного напряжения интегратора [2].

Наличие в МСИ внешних выводов от входа и выхода ОУ дает возможность подключать внешние конденсаторы; в этом случае длительность такта возврата (аналог такта ввода НУ в схеме рис. 1) определяется временем полного разряда примененного конденсатора через сопротивление проводящего ключа К1, которое в соответствии с данными изготовителя не превышает 1,5 кОм. В интеграторах ACF2101 выходное напряжение ОУ может быть только отрицательным, что ограничивает применение этой МСИ для моделирования.

К достоинствам МСИ 1УС102 относятся: двуполяр-ный выходной сигнал, возможности гибкой коммутации элементов: наличие вывода от суммирующей точки и возможность соединения конденсаторов обратной связи (10,30 и 60 пФ) с выходом ОУ только одним выводом при свободном втором. Поэтому внешний конденсатор обратной связи может быть подключен так, чтобы сопротивление проводящего К2 не повлияло на ЯС. При этом методика определения составляющих погрешности интегрирования изменится в сравнении со структурой рис. 1.

Указанные составляющие в схеме рис. 2 оценивались экспериментально при реализуемых значениях постоянной времени интегрирования. Прежде всего это относится к ошибкам переключения, зависящими от расстановки ключей в структуре ОБ, и зарядов, генерируемых ключами при коммутации.

Одна из основных составляющих систематической погрешности интегрирования в тактируемых интеграторах — заряд переключения. Однако заявленное изготовителем значение заряда, который генерируют ключи К1 и К2 в МСИ 1УС102 (около 0,5 пКл), создает ошибку переключения режимов менее 0,5 мВ для значений емкости конденсатора обратной связи С > 1000 пФ. При

ускоренном моделировании динамических звеньев и шкале ±5 В этой составляющей можно пренебречь.

В двухтактном режиме нет необходимости коммутировать входную цепь, так что ключ К2 не используется, и подавать на него сигнал управления не требуется. Для фиксации состояния управляющий вход К2 можно подключить к общему проводу. Отметим, что при нулевом сигнале на управляющих входах ключи в МСИ 1УС102 находятся в проводящем состоянии.

Составляющей погрешности интегрирования от входного тока ОУ также можно пренебречь, поскольку этот ток не превышает 100 фА при температуре 25 °С, что при С = 1000 пФ дает дрейф всего 0,1 мВ/с. Таким образом, основные составляющие погрешности, характерные для схемных решений на основе традиционной компонентной базы, в данном случае пренебрежимо малы.

Погрешность в режиме интегрирования из-за шунтирования конденсатора обратной связи сопротивлением непроводящего ключа К1 при ускоренном моделировании также можно не учитывать, однако важны динамические составляющие погрешности, зависящие от вида и скорости изменения входного сигнала. Чтобы избежать ошибки, обусловленной ограничением линейного диапазона ОУ по току (5 мА), емкость конденсатора следует выбирать из условия

С < (1 - у)/выхТ/имакс, (2)

где у = (0,8...0,9) — часть выходного тока ОУ, доступная для внешних цепей; /вых — выходной ток ОУ; Т — длительность такта интегрирования; имакс — максимальное выходное напряжение ОУ.

При выбранном в соответствии с выражением (2) для Т = 1,1 мс и имакс = 10 В значении С = 5000 пФ два интегратора были замкнуты через инвертор [2] (математическая модель вида х + х = 0). Затухание генерируемого данной моделью синусоидального сигнала, характеризующее динамические свойства ОБ, составило около 10 % за 11 периодов частоты 10 кГц.

Измерения по методу [3] показали, что относительная погрешность интегрирования синусоидального сигнала амплитудой 16 В п/п и периодом 100 мкс при Т = 1,1 мс составила менее 0,1 %.

Полученные данные подтверждают перспективность использования существующих МСИ в схемах ускоренного моделирования процессов управления динамическими объектами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Морозов В. П. Микросхемные аналоговые вычислительные устройства. — М.: СИНТЕГ, 2005. — 160 с.

2. Тетельбаум И. М., Шнейдер Ю. Р. Практика аналогового моделирования динамических систем: Справочное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 384 с.

3. Морозов В. П. Контроль исправности аналоговых операционных блоков // Датчики и системы. — 2003. — № 8. — С. 34—36.

Виталий Пантелеймонович Морозов — д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН (г. Москва). □

46 _ вепвогв & БувЬетв • № 2.2010

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком