УСТРОЙСТВО ВЫБОРА СРЕДНЕГО СИГНАЛА Российский патент 2001 года по МПК G06G7/12 G06G7/52 

Описание патента на изобретение RU2173878C2

Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервированния.

Известны устройства для выбора среднего значения сигнала, см., например, описанное в [1] . Устройство содержит несколько входов и выбирает входной сигнал, значение которого лежит между значениями других сигналов.

Однако устройство имеет очень большое количество элементов, в результате чего обладает низкой надежностью, что недопустимо при построении высоконадежных систем.

Известен аналоговый мажоритар для выбора цепей - прототип, описание которого приведено в [2], он предназначен для выбора среднего из трех сигналов, поступающих на его входы. Устройство содержит первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, охваченные общей отрицательной обратной связью и соединенные с соответствующими входами устройства.

Недостаток известного устройства состоит в том, что максимально возможный выходной сигнал этого устройства Uвых.max не может превышать значения Uн/3, где Uн - напряжение насыщения усилителя (максимально возможный выходной сигнал). В системах, где используются аналоговые мажоритарные устройства, входной сигнал Uвх изменяется, как правило, в пределах от минус Uн до Uн, и применение известного аналогового мажоритарного устройства [2] накладывает значительные ограничения на параметры системы: коэффициент передачи, диапазон входных величин, область устойчивой работы.

Задача изобретения - расширение линейной зоны управляющих сигналов.

Эта задача достигается тем, что в устройство выбора среднего сигнала, содержащее первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, дополнительно введены первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий элементы равнозначности, первые входы которых соединены соответственно с выходом первого, второго и третьего усилителей с релейной характеристикой, вторые входы соединены соответственно с выходом второго, третьего и первого усилителей с релейной характеристикой, инвертирующие входы которых подключены соответственно к третьему, первому и второму входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами третьего, первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого элементов равнозначности, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства.

На чертеже приведена блок-схема устройства выбора среднего сигнала, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий входы устройства, 4, 5, 6 - первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, 7, 8, 9 - первый, второй и третий ключи, 10, 11, 12 - первый, второй и третий элементы равнозначности, 13 - выход устройства.

Первый вход 1 устройства выбора среднего сигнала соединен с сигнальным входом первого ключа 7, неинвертирующим входом первого усилителя 4 и инвертирующим входом третьего усилителя 6, второй вход 2 соединен с сигнальным входом второго ключа 8, инвертирующим входом первого усилителя 4 и неинвертирующим входом второго усилителя 5, третий вход 3 соединен с сигнальным входом третьего ключа 9, инвертирующим входом второго усилителя 5 и неинвертирующим входом третьего усилителя 6. Выход первого усилителя 4 соединен с первым входом первого элемента равнозначности 10 и вторым входом третьего элемента равнозначности 12, выход второго усилителя 5 соединен с первым входом второго элемента равнозначности 11 и вторым входом первого элемента равнозначности 10, выход третьего усилителя 6 соединен с первым входом третьего элемента равнозначности 12 и вторым входом второго элемента равнозначности 11. Выходы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности соединены с управляющими входами второго 8, третьего 9 и первого 7 ключей соответственно, выходы которых соединены с выходом устройства 13.

Устройство выбора среднего сигнала работает следующим образом. Входные сигналы S1, S2 и S3 поступают на входы 1, 2 и 3 соответственно. Одновременно сигнал S1 подается на неинвертирующий вход первого усилителя с релейной характеристикой 4 и инвертирующий вход третьего усилителя с релейной характеристикой 6, сигнал S2 подается на неинвертирующий вход второго усилителя с релейной характеристикой 5 и инвертирующий вход первого усилителя с релейной характеристикой 4, сигнал S3 подается на неинвертирующий вход третьего усилителя с релейной характеристикой 6 и инвертирующий вход второго усилителя с релейной характеристикой 5. Выходные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 усилителей с релейной характеристикой U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно в зависимости от значений входных сигналов S1, S2 и S3 будут определяться в соответствии с табл. 1.

В этой таблице для каждого соотношения входных сигналов S1, S2 и S3 (комбинации с 1 по 6) приведены значения выходных сигналов первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно. При этом низкий уровень сигнала соответствует значению "0", а высокий уровень сигнала - значению "1".

Пусть входные сигналы S1, S2 и S3 соответствуют комбинации 1 табл. 1 (S1 > S2 > S3). В этом случае в соответствии со схемой фиг. 1 на выходе первого усилителя с релейной характеристикой 4 будет высокий потенциал (S1 > S2, Δ - гестерезис усилителя 4, Δ - малая величина, считаем, что |S1-S2|>Δ, на выходе второго усилителя 5 будет также высокий потенциал (S2 > S3, Δ - гестерезис усилителя 5, |S2-S3|>Δ, на выходе третьего усилителя 6 будет низкий потенциал (S3 < S1, Δ - гестерезис усилителя 6, |S1-S3|>Δ, т. e. U1-2 = 1, U2-3 = 1, U3-1 = 0. В соответствии с логикой работы элемента равнозначности выходные сигналы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно будут таковы: U1=1, U2=0, U3=0. Считаем, что высокий потенциал выходного сигнала элемента равнозначности открывает ключ, низкий потенциал - закрывает ключ. Тогда в соответствии со схемой чертежа высокий потенциал первого элемента равнозначности 10 открывает второй ключ 8 и на выходе 13 устройства присутствует сигнал S2, т.e. средний из сигналов S1, S2 и S3.

Аналогично работает устройство выбора среднего сигнала и при других комбинациях входных сигналов S1, S2 и S3. Рассмотрим случай, когда сигналы S1 = S2 = S3 |S1-S2|<Δ|S1-S3|<Δ|S2-S3|<Δ ). В этом случае входные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 усилителей с релейной характеристикой U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно могут принимать любое значение из комбинаций от U1-2 = 0, U2-3 = 0, U3-1 = 0 до U1-2 = 1, U2-3 = 1, U3-1 = 1. При этом выходные сигналы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно либо все равны "1", либо, по крайней мере, один из них равен "1", т.е. либо открыты все ключи 7, 8 и 9, либо один из них. В рассматриваемом случае не имеет существенного значения, какой из входных сигналов S1, S2 или S3 подается на выход устройства 13.

Эффект от использования предлагаемого устройства выбора среднего сигнала в следующем. В известном устройстве [2] выходной сигнал S' определяется средним из трех входных сигналов S1, S2 или S3 (например, сигналом S2). В рассматриваемом случае, если, например, S1 > S2 > S3, выходной сигнал первого усилителя U1 = -Um (где Um - напряжение насыщения усилителя), второго усилителя U2, третьего усилителя U3 = Um. При любой комбинации входных сигналов два усилителя из трех находятся в насыщении - один из усилителей имеет выходной сигнал Um, другой - минус Um. Ток I, протекающий через нагрузку, в известном устройстве [2] можно определить как:
I = (-Um - S')/R + (U2 - S')/R + (Um - S')/R, (1)
где R - сопротивление токоограничивающего резистора (реализовано на полевых транзисторах). Принимая, что сопротивление нагрузки Rн >> R, т.е. I = 0 выражение (1) примет вид:
(-Um - S') + (U2 - S') + (Um - S') = 0,
преобразуя последнее получим U2 = 3S'. Так как максимальное значение U2 = Um, то максимальное значение выходного сигнала S' ограничено величиной Um/3. Учитывая, что у устройства-прототипа используются нелинейные выходные токоограничивающие цепи, оно позволяет получить несколько большую линейную зону, чем на простых резисторах. Однако сопротивление нагрузки не бесконечно. А разброс параметров полевых транзисторов, используемых на выходе усилителей, большой, что приведет к смещению рабочей (линейной) зоны относительно нуля. Таким образом линейная зона известного устройства [2] при практической реализации будет значительно меньше, чем напряжение насыщения операционных усилителей. Так как при проектировании линейных систем используется вся линейная зона усилителей, то ограничения, налагаемые устройством-прототипом на область линейного изменения выходного сигнала, не допустимы. Ослабление входного сигнала с последующим использованием усилителя на выходе устройства для его восстановления, как правило, не спасает положение. Т.к. при ослаблении сигнала уровень помех, шумов и наводок остается постоянным, а при усилении - усиливается, что приводит к ухудшению работы в районе ноля (снижению чуствительности, уменьшению динамического диапазона) всей системы, использующей аналоговое мажоритарное устройство, что не приемлемо при построении высокоточных систем.

В рассматриваемом устройстве выбора среднего сигнала "средний" (по амплитуде) входной сигнал без ограничений подается на выход устройства и может принимать любое значение "внутри" линейной зоны ключа, которая, как правило, шире линейной зоны операционных усилителей, что позволяет говорить о расширении линейной зоны устройства выбора среднего сигнала по сравнению с известными решениями.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать операционные усилители, ключи, логические элементы цифровых микросхем любых серий.

Литература
[1] - Патент США N 4,276,648, кл. G 06 F 11/18, от 4 сентября 1979 г. Способ и аппаратура для обнаружения ошибки и выбора среднего значения сигнала.

[2] - Патент США N 3,706,044, кл. G 06 F 11/18, от 29 сентября 1970 г. Аналоговый мажоритар для выбора цепей.

Похожие патенты RU2173878C2

название год авторы номер документа
МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО 2000
  • Дорофеев В.Б.
  • Куракин М.А.
RU2173876C1
МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) 2000
  • Куракин М.А.
  • Дорофеев В.Б.
RU2174703C1
УСТРОЙСТВО ВЫБОРА СИГНАЛА 2001
  • Лаврищев А.Б.
  • Леденев Г.Я.
RU2208245C2
УСТРОЙСТВО ВЫБОРА СИГНАЛОВ 2001
  • Леденев Г.Я.
  • Лаврищев А.Б.
RU2208246C2
РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР 1999
  • Бичуцкий А.Я.
RU2150726C1
ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ 2001
  • Леденев Г.Я.
RU2208797C1
РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР 2008
  • Бичуцкий Александр Яковлевич
RU2403607C2
МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО 1998
  • Дорофеев В.Б.
RU2141130C1
УСТРОЙСТВО СМЕШАННОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ 2007
  • Дорофеев Валерий Борисович
  • Куракин Максим Анатольевич
RU2339994C1
ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ 2001
  • Леденев Г.Я.
  • Федосов А.А.
RU2210183C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 173 878 C2

Реферат патента 2001 года УСТРОЙСТВО ВЫБОРА СРЕДНЕГО СИГНАЛА

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервирования. Технический результат заключается в расширении линейной зоны управляющих сигналов. Технический результат достигается за счет того, что в устройство выбора среднего сигнала, содержащее первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, дополнительно введены первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий элементы равнозначности, первые входы которых соединены соответственно с выходом первого, второго и третьего усилителей с релейной характеристикой, вторые входы соединены соответственно с выходом второго, третьего и первого усилителей с релейной характеристикой, инвертирующие входы которых подключены соответственно к третьему, первому и второму входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами третьего, первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого элементов равнозначности, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства. 1 табл., 1 ил.

Формула изобретения RU 2 173 878 C2

Устройство выбора среднего сигнала, содержащее первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий элементы равнозначности, первые входы которых соединены соответственно с выходом первого, второго и третьего усилителей с релейной характеристикой, вторые входы соединены соответственно с выходом второго, третьего и первого усилителей с релейной характеристикой, инвертирующие входы которых подключены соответственно к третьему, первому и второму входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами третьего, первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого элементов равнозначности, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2173878C2

US 3706044 A, 12.12.1972
RU 95111064 A1, 10.06.1997
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ 1990
  • Соколов О.Л.
RU2006946C1
US 4276648 A, 30.06.1981.

RU 2 173 878 C2

Авторы

Леденев Г.Я.

Лаврищев А.Б.

Даты

2001-09-20Публикация

1999-06-17Подача