книги из ГПНТБ / Основы вычислительной техники учебник

каскадного ОУ изображена на рис. 5.6. В схеме приняты следу­

Решающий усилитель представляет собой схему с отрица­ тельной обратной связью. Поэтому в первую очередь -проанали­ зируем влияние обратной связи на дрейф выходного напряжения. Для этого необходимо получить основное уравнение решающего усилителя с учетом дрейфа.

В соответствии с рис. 5.6 на рис. 5.7 представлена структур­ ная схема решающего усилителя с учетом э. д. с. смещения ну­ левого уровня ОУ на входах всех трех каскадов. Обознан-ення

?С(Р)

е,

Рас. 5.7.

Основное уравнение решающего усилителя -с учетом э. д. с. смещения в соответствии со схемой, изображенной на рис. 5.7, можно записать:

121

В частном случае для масштабного решающего усилителя при ZBX = RBX и Zoc = Roc из (5.18) получим

С учетом конечного значения коэффициента усиления к0 бо­ лее точные уравнения для различных типов решающих усилите­ лей можно получить по формуле (5.17).

В полученных выше уравнениях первое слагаемое является

обеспечивает существенное ослабление влияния э. д. с. смеще­ ния второго и третьего каскадов ОУ. Чем дальше от входа воз­ никает э. д. с. смещения п больше коэффициенты усиления пред­ шествующих каскадов, тем меньше она проявляется на выходе. При большом значении коэффициента k0 = k lk2k3 напряжение питания последнего каскада ОУ может быть вообще не стаби­ лизировано.

2. Отрицательная обратная связь не компенсирует возмуще­ ния, если они возникают на входе операционного усилителя. Э. д. с. смещения первого каскада ОУ составляет основную по­ грешность дрейфа выходного напряжения решающего усилите­ ля. Поэтому при разработке схем ОУ основное внимание уделя­ ется построению бездрейфового первого каскада с большим коэффициентом усиления.

Таким образом, применение отрицательцой обратной связи в операционных усилителях с малыми э. д. с. смещения нулевого уровня первых каскадов позволяет существенно уменьшить

дрейф выходного напряжения решающего усилителя.

*

122

Еще один способ уменьшения дрейфа решающих усилителей заключается в применении дополнительного стабилпопрующего («бездрейфового») усилителя, включаемого по иоследовательнопараллельной схеме на входе основного усилителя. Рассмотрим сущность этого способа подробнее.

Функциональная схема (решающего усилителя с иа-раллельно- последовательным включением дополнительного стабилизирую­ щего усилителя У2 представлена на рис. 5.8.

Рис. 5.8.

Основной операционный усилитель У1 имеет два входа (1,3 и 2, 3). На схеме приняты следующие обозначения: е — э. д. с. смещения нулевого уровня основного усилителя; k x и k2— коэф­ фициенты усиления основного и дополнительного усилителей со­ ответственно; Zn и Zoc — сопротивления внешних элементов решающего усилителя; ug — сигнал рассогласования, подавае­ мый на входы основного и дополнительного усилителей.

Вис. 6.9.

Для выяснения влияния дополнительного усилителя на свой­ ства решающего усилителя обратимся к структурной схеме, изо­ браженной на (рис. 5.9. Основное уравнение расемвтриваемога

123

решающего усилители с учетом источника дрейфа с а; соответст­ вии с рис. 5.9 будет

что .наличие дополнительного усилителя снижает дрейф выходно­ го напряжения решающего усилителя в (1+&2) раз. В связи -с этим рассматриваемый способ уменьшения дрейфа решающих усилителей является основным в современных АВЛ'\. Его кон­ кретная техническая реализация может осуществляться по-раз­ ному: 1) применением стабилизирующих усилителей с модуля­ цией и демодуляцией (УМДМ); 2) применением систем автома­ тической устан-сюкп нулей решающих усилителей (САУН). Эти: технические реализации будут рассмотрены в § 5.9 настоящей главы.

Необходимо подчеркнуть, что дополнительный усилитель не только обеспечивает уменьшение дрейфа выходного напряжения решающего усилителя. Его подключение к основному ОУ при­ водит к существенному увеличению общего коэффициента усиле­ ния k0= (\+ko)ki. Это в свою очередь приводит к уменьшению погрешностей, обусловленных конечным значением коэффициен­ та /г0. Другими -словами, приближенные уравнения, решающих усилителей становятся «более точными». Кроме того, полное вы­ ходное сопротивление решающего усилителя уменьшается в к2 раз.

Точность выполнения вычислительных операций. Из рас­ смотренных в настоящей главе уравнений следует, что точность вычислительных операций, выполняемых решающим усилителем, не зависит от параметров операционного усилителя, если его коэффициент усиления достаточно велик, а зависит от точности реализации операторов ZBX и Zoc внешних элементов. Поэтому в решающих усилителях применяются специальные высокоточ­ ные и стабильные резисторы и емкости.

]24

ст в и е к о н е ч н о г о з н а ч е н и я к о э ф ф и ц и е н т а у с и л е н и я он ер а щ и сн н о -

го у с и л и т е л я ; 3) и н с т р у м е н т а л ь н о й п о гр е ш н о с т и Д « н, о сн о в н ы м и и ст о ч н и ­

С о с т а в л я ю щ и е с у м м а р н о й п о гр е ш н о с т и в о б щ е м с л у ч а е я в л я ­ ю т ся п е р е м е й н ы м и в е л и ч и н а м и , п о э т о м у и с у м м а р н а я п о г р е ш ­

н ость я в л я е т с я в ел и ч и н о й п е р е м е н н о й , з а в и с я щ е й от к о н к р етн ы х у сл о в и й р а б о т ы р е ш а ю щ е г о у с и л и т е л я . Д л я н а и б о л е е н е б л а г о ­

125

§ 5.5. Масштабный усилитель

Масштабным усилителем (рис. 5.10) называют решающий усилитель, на выходе которого образуется величина (напряже­ ние), пропорциональное произведению входного сигнала их на постоянную величину ky. Одновременно с этим он выполняет операцию перемены знака. Внешние элементы масштабного уси­

Коэффициент усиления масш­ табного усилителя при достаточ­ но большом коэффициенте k0 в

соответствии с (5.6) определяется по формуле

При ky =1 получаем усилитель перемены знака, он выполня­ ет операцию умножения входного сигнала на —1. У такого уси­

бражена на рис.' 5.11. Угол наклона линейного участка характе­ ристики а связан с коэффициентом усиления ky зависимостью tga =» ky. За линейным участком характеристики наступает зона насыщения, в которой линейная зависимость (5.26) нарушается. Таким образом, масштабный усилитель сохраняет свои свойства только в пределах линейного участка статической характерис­ тики.

126

Пусть требуется выполнить математическую операцию умно­ жения

(5.26) и переменными заданного -уравнения (5.27) устанавливает­ ся зависимость с помощью следующих масштабных-соотношений:

Таким образом, для правильной реализации исходного урав­ нения (5.27) с помощью .масштабного усилителя в пределах ли­ нейного участка его статической характеристики должно быть выполнено соотношение

решающий усилитель выполняет операцию умножения на посто­ янную величину при одинаковых масштабах входной и выход­ ной величин. Если а ф 1 и М у ф М х , то масштабный усилитель выполняет не только операцию умножения -на постоянную вели­ чину а, но и операцию изменения масштаба выходной величины.

Пример 1. Требуется реализовать математическую операцию у—ах на мас­

точности требуется, чтобы масштаб выходной величины был в два раза боль­

При заданных выше условиях иаходн-м коэффициент усиления масштабного усилителя в соответствии с формулой (5-.30) :

127

В рассмотренном примере при всех позможных значениях .v н у входное напряжение будет изменяться в пределах ±25 В, а выходное — в пределах

±100 В.

Величина коэффициента усиления масштабного усилителя ку не должна быть большой, так как с его увеличением понижа­

ется точность выполнения операции умножения. Обычно величи­ на ку выбирается в пределах от 0 01 до 20.

Если один из резисторов {RBX пли R0с) выполнить перемен­ ным, то с помощью масштабного усилителя можно реализовать операцию умножения входного сигнала на переменный коэффи­ циент.

Рассмотрим методику расчета погрешностей масштабното усилителя. Так .как этот усилитель относится к числу безынер­ ционных (широкополосных) вычислительных устройств, то при ограниченном спектре входных сигналов динамические погреш­ ности в нем не возникают; случайные помехи во входном сигнале фильтрации не подвергаются.

Трансформированная абсолютная погрешность масштабного усилителя в соответствии с (5.23а) равна:

Д«т = ку (г/л. - Дггд.) — kyax — У; ку ДггА. ,

где Аих— абсолютная .погрешность входного напряжения.

Следовательно, относительная трансформированная погреш­ ность на выходе масштабного усилителя равна относительной погрешности входного напряжения. Полученные выводы соот­ ветствуют табл. 1.1. Расчет среднеквадратпческой трансформи­ рованной погрешности производится по формуле табл. 1.2.

Принципиальная погрешность (погрешность статизма) возни­ кает веледств'ие конечного значения коэффициента усилении ко ОУ, на котором собран масштабный усилитель. В соответствии с (5.10) и (5.7) абсолютная .принципиальная погрешность

12S