СРАВНИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК G05B1/01 H03K5/24 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам для обработки сигналов, и может быть использовано в схемах допускового контроля, например логические пробники, входной каскад схемы охранной сигнализации, контроллер питающих напряжений блока питания.

Известно сравнивающее устройство, содержащее источник напряжения, формирующий два пороговых напряжения, два операционных усилителя, выполняющие функцию компаратора (а.с. N 1081784: H 0З K 5/24, G 05 B 1/01, оп.23.03.84, б. N 11).

Данное устройство содержит два компаратора для создания двухпороговой характеристики, причем каждый из них представляет собой компаратор без гистерезиса, что в ряде случаев затрудняет оптимизацию схемы.

Известно устройство сравнения сигналов, принятое за прототип, содержащее источник опорного напряжения, подсоединенный к первому вводу схемы согласования, второй вход которой является входом устройства, на который подается анализируемый сигнал, выход схемы согласования соединен шиной с входом элемента компарации, выполненным в виде двух однопороговых компараторов без гистерезиса с объединенными выходами, которые являются выходом устройства (В. А. Коломбет и др. Применение аналоговых микросхем, 1990, Москва-Братислава, стр.90, табл. 3.4б).

Данное решение предполагает использование двух компараторов без гистерезиса для получения двухпороговой характеристики, что затрудняет оптимизацию схемы и накладывает ограничения на выбор элементной базы при реализации устройства.

Кроме того, на базе известного технического решения нельзя получить двухпороговую характеристику, используя за основу триггер Шмидта как элемент компарации вследствие того, что триггер Шмидта реагирует на входной сигнал в зависимости от его предыстории. Это вносит неоднозначность в реакцию выходного сигнала на входной сигнал.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является получение двухпороговой характеристики при использовании одного однопорогового компаратора с любым гистерезисом, что создает предпосылки построения оптимальных схем.

Для решения поставленной задачи в сравнивающем устройстве, содержащем элемент компарации, схему согласования, источник напряжения, присоединенный к первому входу схемы согласования, второй вход которой является входом устройства, предназначенным для подачи анализируемого сигнала, а выход соединен шиной с входом элемента компарации, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению, источник напряжения выполнен в виде генератора переменного сигнала, частота повторения которого выше частоты изменения анализируемого сигнала, а размах сигнала, приведенный ко входу элемента компарации, превышает величину его гистерезиса, в качестве элемента компарации использован один однопороговый компаратор.

Использование в качестве источника напряжения генератора переменного сигнала с указанными требованиями к нему по частоте и размаху создает возможность применения одного однопорогового компаратора с любым гистерезисом (в т.ч. триггера Шмидта) для получения двухпороговой характеристики. В случае с триггером Шмидта переменный сигнал обеспечивает однозначную реакцию триггера Шмидта на входной сигнал, независимо от предыстории последнего.

Окно компарации определится параметрами переменного сигнала, параметрами элемента компарации с учетом построения схемы согласования. Окну компарации соответствует выходной сигнал в виде импульсной последовательности. Свойство наличия на выходе устройства импульсов при нахождении входного анализируемого сигнала в окне компарации оказывается полезным при соединении со схемами, ведущими отсчет временных интервалов. При этом за пределами окна компарации выходной сигнал представлен логическим уравнением (0 или 1) или импульсами, скважность которых существенно отличается от скважности импульсов, соответствующих окну компарации.

Кроме того, сигнал может быть одного из 3-х видов, что дает однозначную характеристику уровня анализируемого сигнала, причем выходной сигнал представлен в двухуровневом логическом выражении.

На фиг. 1 представлена структурная схема сравнивающего устройства; на фиг. 2 приведены примеры построения схем сравнивающего устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие их работу.

Сравнивающее устройство содержит источник напряжения 1, схему согласования 2, элемент компарации 3.

Источник напряжения 1 представляет собой генератор переменного сигнала, а именно сигнала переменной амплитуды с постоянным размахом. Сигнал может быть периодическим, импульсным, непериодическим с некоторой выраженной средней частотой.

Схема согласования 2 содержит, например, схемы смешения или масштабирования или смещения. В качестве элемента компарации 3 может быть использован один однопороговый компаратор. В случае когда схема согласования 2 содержит схему смешения входных сигналов, то это позволяет использовать одновходовый компаратор. Схема масштабирования и смещения позволяет изменять пороги компарации при заданных параметрах элемента компарации и переменного напряжения.

Выход источника напряжения 1 подсоединен к первому входу схемы согласования 2, второй вход который является входом 4 сравнивающего устройства и предназначен для подачи анализируемого сигнала. Выход схемы согласования 2 соединен шиной 5 с элементом компарации 3, выход которого является выходом 6 сравнивающего устройства. Шина 5 предполагает в каждом конкретном исполнении количество соединений от одного и более.

Устройство работает следующим образом.

На вход 4 подают входной анализируемый сигнал, от источника напряжения 1 на первый вход блока сравнения 2 поступает переменный сигнал, т.е. сигнал переменной амплитуды с постоянным размахом, частота которого выше частоты изменения анализируемого сигнала. Размах переменного напряжения, приведенный ко входу элемента компаратора 3, превышает величину его гистерезиса. Выходной сигнал (И_вых) получается одного из 3-х видов в логических уровнях в зависимости от уровня анализируемого сигнала, например логический ноль-импульсы - логическая единица.

Пороги компарации определяются в совокупности параметрами источника напряжения, схемы согласования, элемента компарации.

Пример 1 (фиг.2, схема а; фиг.3, диаграмма а).

В качестве источника напряжения 1 использован генератор импульсного бинарного сигнала любой скважности с выходом через малую емкость. Схема согласования 2 содержит один резистор и выполняет функцию слежения входного анализируемого сигнала и сигнала с генератора 1. В качестве элемента компарации использован триггер Шмидта. При этом соотношении параметров сигнала генератора по напряжению, приведенных ко входу компаратора (Ик) и параметров компаратора следующее: в пределах окна компарации размах сигнала, приведенный ко входу компаратора, больше величины гистерезиса компаратора, но половина размаха сигнала должна быть меньше величины гистерезиса компаратора
G < R < 2G,
где
R - размах импульсного сигнала;
G - величина гистерезиса компаратора.

Выходной сигнал имеет вид: логический уровень (0 или 1) - импульсы-логический уровень (1 или 0).

Наличие импульсов выходного сигнала (И_вых) только в окне компарации может быть удачно использовано, например, в схеме охранной сигнализации с целью оптимального решения задачи защиты от помех.

Пример 2 (фиг.2, схема г; фиг.3, диаграмма б).

Сигнал генератора - импульсный бинарный скважностью около 2 с выходом через малую емкость.

Соотношение параметров сигнала генератора по напряжению, приведенного ко входу компаратора (И_к) и параметров компаратора следующие: в пределах диапазона изменения входного сигнала амплитуда импульсов генератора, приведенная ко входу компаратора с учетом наложения на входной анализируемый сигнал, должна быть такова, чтобы импульсы пересекали зону гистерезиса компаратора
[(min И_вх) + А] > G_в
[(max И_вх) - А] < G_н
Выходной сигнал: узкие импульсы (скважность >> 2 или << 2) - импульсы скважностью около 2 - узкие импульсы.

Преимущество данного варианта - возможность использования импульсов с элемента компарации в микропроцессорной системе для привязки к реальному времени. При этом решается задача минимизации схемы - по одному входу процессора идет информация о состоянии компаратора и отсчеты реального времени.

Пример 3 (фиг.2, схема б; фиг.3, диаграмма в).

Схема согласования - два резистора, одновременно выполняется функция смешения и масштабирования. Элемент компарации - триггер Шмидта (фиг.2, схема в; фиг.3, диаграмма г).

Схема согласования - два резистора, элемент компарации - двухвходовой компаратор (однопороговый без гистерезиса).

В обеих схемах генератор формирует периодический сигнал любой формы, например импульсы типа меандр или узкие импульсы чередующейся полярности или синусоиду.

Соотношение параметров сигнала генератора по напряжению, приведенных ко входу элемента компарации (И_к) и параметров компаратора следующее.

Схема в.

По крайней мере в пределах окна компарации размах сигнала, приведенного ко входу элемента компарации, больше величины гистерезиса компаратора R>G.

Схема г G = 0.

Выходной сигнал в этих схемах в диапазоне изменения входного сигнала проходит через три состояния, существенно отличных друг от друга, например, логический уровень (0 или 1) - импульсы-логический уровень (1 или 0), или узкие импульсы (скважность >> 2 или << 2)- импульсы со скважностью около 2 - узкие импульсы (скважность << 2 или >> 2).

Полезное свойство данного устройства.

Сравнение (получение) выходного сигнала в виде импульсов только в окне компарации находит применение в ряде случаев аналогичных применению, приведенному в примере 1.

Предложенное техническое решение обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом: использование в качестве элемента компарации только одного однопорогового компаратора с любым гистерезисом (в т.ч. Шмидта) для формирования двухпороговой характеристики, окну компарации соответствует выходной сигнал в виде импульсной последовательности, что дает возможность простого сопряжения с счетными схемами.

Кроме того, выходной сигнал имеет один из трех видов, что дает однозначную характеристику уровня анализируемого сигнала, причем выходной сигнал представлен в двухуровневом логическом выражении.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам обработки сигналов, и может быть использовано в схемах допускового контроля. Достигаемый технический результат - получение двухпороговой характеристики при использовании одного однопорогового компаратора с любым гистерезисом. Сравнивающее устройство содержит источник напряжения, представляющий собой генератор переменного сигнала, подсоединенный к первому входу схемы согласования, второй вход которой является входом сравнивающего устройства, своим выходом связанный с элементом компарации, на входы которого поступает как анализируемый сигнал, так и переменный сигнал, размах которого постоянен, а частота выше частоты изменения анализируемого сигнала, причем размах переменного сигнала превышает величину гистерезиса элемента компарации. 3 ил.

Сравнивающее устройство, содержащее элемент компарации, схему согласования, источник напряжения, подсоединяемый к первому входу схемы согласования, второй вход которой является входом устройства для подачи анализируемого сигнала, а выход соединен шиной с входом элемента компарации, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что источник напряжения выполнен в виде генератора переменного сигнала, частота повторения которого выше частоты изменения анализируемого сигнала, а размах сигнала, приведенный к входу элемента компарации, превышает величину его гистерезиса, в качестве элемента компарации использован один однопороговый компаратор.