Теоретические сведения. К базовым аналоговым вычислительным устройствам относятся сумматор, интегратор и дифференциатор

К базовым аналоговым вычислительным устройствам относятся сумматор, интегратор и дифференциатор. Они используются в различных измерительных преобразователях и корректирующих звеньях, а также при моделировании систем управления. Как правило, эти устройства выполняются на базе ОУ по схеме инвертирующего усилителя, обеспечивающего максимальную точность.

(Схема 1)

Схема двухвходового сумматора представлена на схеме. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор (R1,R2,…,Rn). Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе равно нулю (вследствие действия ООС), следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Таким образом,

Is=I1+I2+…+In и I1=U1/R1, I2=U2/R2,…,In=Un/Rn.

Так как напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю, то U₀=I_SR_S. После преобразований получаем выражение для выходного напряжения сумматора в следующем виде:

U₀= -R_S(U1/R1+U2/R2+…+Up/Rn).

Интегратор – электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален интегралу от входного.На схеме конденсатор в цепи обратной связи ОУ подсоединён между суммирующим входом и выходом интегратора. Следовательно, напряжение на конденсаторе приблизительно равно выходному напряжению. При воздействии постоянного входного напряжения Ui напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени: U₀=tUi/RC. Если напряжение Ui на входе действует неопределённо долгое время, выходное напряжение U₀ изменяется до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения ОУ (в этом можно убедиться после включения схемы). Это происходит потому, что по постоянному току интегратор является усилителем с разомкнутой петлёй ОС. Заметим, что в интеграторах с большими постоянными времени RC должны использоваться ОУ с малыми входными токами и конденсаторы с малыми токами утечки.

На практике работа интегратора обычно делится на три периода: ввод начальных условий, интегрирование и хранение результата интегрирования. Схема интегратора с имитацией этих режимов приведена на схеме 3. Для ввода начальных условий (заряд интегрирующего конденсатора C до напряжения Uio=UyR2/R1) используется ключ-таймер К1, который срабатывает через 1 с после включения схемы и удерживается в замкнутом состоянии 1 с. Через 2 с после включения срабатывает ключ К2 и начинается процесс интегрирования, который длится 3 с, после чего интегратор переводится в режим хранения.

(Схема 2)

При проектировании интеграторов и дифференциаторов существенное значение имеет также и выбор типа конденсатора. Поскольку выбор чаще всего ограничивается конденсаторами с диэлектриком, то в таком случае необходимость иметь в виду, что они обладают свойством неконтролируемого накопления зарядов.