УСТРОЙСТВО СЛЕДЯЩЕГО ТИПА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ ВТОРОЙ ОРТОГОНАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА Российский патент 2002 года по МПК G06G7/22 G05B13/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может использоваться в гибридных аналого-цифровых устройствах и системах обработки аналоговых сигналов с целью определения модуля второй ортогональной составляющей по известным изменяющимся во времени модулям вектора и его первой ортогональной составляющей.

Известно устройство для определения ортогональной составляющей вектора /1/, содержащее переключатели, элемент сравнения, блок управления, интеграторы, инвертор, сумматор, счетчик и дешифратор.

Недостатками аналога являются сложность схемы и невысокая точность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для определения модуля второй ортогональной составляющей вектора /2/, содержащее аналого-цифровой и цифро-аналоговые преобразователи, сумматор, генератор синусоидального напряжения, фазосдвигающий блок, нуль-орган, элемент И, счетчик, преобразователь переменного напряжения в постоянное, компаратор, источник опорного напряжения.

Недостатками прототипа являются:
1) узкие функциональные возможности - с его помощью возможно определение модуля неизвестной второй ортогональной составляющей вектора только в статическом режиме, т. е. при неизменных известных модулях вектора и его первой ортогональной составляющей и невозможно решение аналогичной задачи определения модуля второй ортогональной составляющей вектора в динамическом режиме, т.е. при изменяющихся модулях вектора и его первой ортогональной составляющей;
2) низкое быстродействие из-за большого времени работы устройства с момента запуска до получения результата, что, в свою очередь, обусловлено необходимостью моделирования модуля неизвестной ортогональной составляющей вектора после запуска устройства с нулевого до действительного значения путем монотонного увеличения.

Решаемые изобретением технические задачи - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности определения модуля второй ортогональной составляющей вектора в динамическом режиме, т.е. при изменяющихся модулях вектора и его первой ортогональной составляющей, а также повышение быстродействия за счет сокращения времени работы устройства при очередных изменениях вектора (что, в свою очередь, достигается за счет обеспечения возможности увеличения или уменьшения модуля моделируемой неизвестной ортогональной составляющей вектора только на величину его приращений при очередных изменениях).

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в устройство для определения модуля второй ортогональной составляющей вектора, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый, второй и третий цифро-аналоговые преобразователи, сумматор, преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый компаратор, источник опорного напряжения, фазосдвигающий блок, первый нуль-орган, генератор синусоидального напряжения, выход которого соединен со входом опорного напряжения первого цифро-аналогового преобразователя и через фазосдвигающий блок - со входом опорного напряжения второго цифро-аналогового преобразователя и со входом первого нуль-органа, выход источника опорного напряжения соединен со входами опорного напряжения третьего цифро-аналогового преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является первым входом устройства, а информационный выход соединен с цифровым входом первого цифро-аналогового преобразователя, выходы первого и второго цифро-аналоговых преобразователей соединены со входами сумматора, выход которого соединен с информационным входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход третьего цифро-аналогового преобразователя является выходом устройства, второй вход устройства соединен с неинвертирующим входом первого компаратора, дополнительно введены реверсивный счетчик, блок вычитания, формирователь модуля, второй нуль-орган, второй компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй элементы И-НЕ, аналоговый блок памяти, информационный вход которого подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с инвертирующим входом первого компаратора и входом вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого подключен ко второму входу устройства, а выход через формирователь модуля соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, инвертирующий вход которого является третьим входом устройства, а выход соединен с объединенными третьими входами первого и второго элементов И-НЕ, вторые входы которых объединены между собой и через третий одновибратор подключены к выходу первого нуль-органа, выход генератора синусоидального напряжения соединен со входом второго нуль-органа, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и через первый одновибратор соединен со входом сброса преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход второго одновибратора соединен с управляющим входом аналогового блока памяти, первые входы первого и второго элементов И-НЕ подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого компаратора, а выходы соединены соответственно с прогрессивным и регрессивным входами реверсивного счетчика, информационный выход которого соединен с цифровыми входами второго и третьего цифро-аналоговых преобразователей; преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит конденсатор, резистор, коммутатор, диод, анод которого является входом преобразователя, а катод, являющийся выходом преобразователя, подключен к информационному входу коммутатора и через конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, подключенной через резистор к выходу коммутатора, управляющий вход которого соединен со входом сброса преобразователя.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются 11 новых введенных элементов (реверсивного счетчика, аналогового блока памяти, блока вычитания, формирователя модуля, первого, второго и третьего одновибраторов, первого и второго элементов И-НЕ, второго нуль-органа, второго компаратора), а также примерно половину новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности определения модуля второй ортогональной составляющей вектора в динамическом режиме, т.е. при изменяющихся модулях вектора и его первой ортогональной составляющей, а также повышение быстродействия за счет сокращения времени работы устройства при очередных изменениях вектора (что, в свою очередь, достигается за счет обеспечения возможности увеличения или уменьшения модуля моделируемой неизвестной ортогональной составляющей вектора только на величину его приращений при очередных изменениях).

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 приведена схема преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг.3 - поясняющая векторная диаграмма напряжений.

Устройство (фиг.1) содержит первый вход 1 "x" устройства, соединенный с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2, информационный выход которого соединен с цифровым входом первого цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 4, а вход опорного напряжения подключен к выходу генератора 5 синусоидального напряжения (ГСН), соединенному со входами второго нуль-органа (НО) 6 и фазосдвигающего блока (ФСБ) 7, выход которого соединен со входом первого НО 8 и входом опорного напряжения второго ЦАП 9, выход которого соединен со вторым входом сумматора 4, выход которого соединен с информационным входом преобразователя 10 переменного напряжения в постоянное (ППНП), вход сброса которого подключен к выходу первого одновибратора 11, а выход соединен с информационным входом аналогового блока 12 памяти (АБП), управляющий вход которого подключен к выходу второго одновибратора 13, а выход соединен со входом вычитаемого блока 14 вычитания (БВ) и с инвертирующим входом первого компаратора 15, неинвертирующий вход которого объединен со входом уменьшаемого БВ 14 и подключен ко второму входу 16 "z" устройства, а прямой и инверсный выходы соединены соответственно с первыми входами первого 17 и второго 18 элементов И-НЕ, вторые входы которых объединены и подключены к выходу третьего одновибратора 19, а третьи входы объединены между собой и подключены к выходу второго компаратора 20, неинвертирующий вход которого через формирователь 21 модуля (ФМ) подключен к выходу БВ 14,а инвертирующий вход соединен с третьим входом 22 "ΔU" устройства, выходы первого 17 и второго 18 элементов И-НЕ соединены соответственно с прогрессивным и регрессивным входами реверсивного счетчика 23, информационный выход которого соединен с объединенными цифровыми входами второго ЦАП 7 и третьего ЦАП 24, вход опорного напряжения которого объединен с одноименным входом АЦП 2 и подключен к выходу источника 25 опорного напряжения (ИОН), а выход является выходом 26 устройства, выход первого НО 8 соединен с инверсным входом третьего одновибратора 19, выход второго НО 6 соединен с прямым входом первого одновибратора 11 и инверсным входом второго одновибратора 13.

Схема ППНП 10 (фиг.2) содержит диод 27, анод которого является информационным входом ППНП 10, а катод, являющийся выходом ППНП 10 и через конденсатор 28 связанный с общей шиной устройства, соединен с информационным входом коммутатора 29, управляющий вход которого соединен со входом сброса ППНП 10, а выход через резистор 30 соединен с общей шиной устройства.

Рассмотрим работу устройства.

Для удобства эксплуатации, настройки и поверки в устройстве используются идентичные АЦП 2 и ЦАП 3, 9, 24, имеющие одинаковые рабочий диапазон и ширину младшего значащего разряда ΔU. Генератором 5 вырабатываются синусоидальные колебания фиксированной частоты, амплитудное значение которых равняется ширине рабочего диапазона входного напряжения АЦП 2. С помощью ФСБ 7 достигается сдвиг этих колебаний на угол ϕ=-90^o.

Ко второму входу 16 устройства приложено постоянное напряжение z, равное значению модуля вектора, к информационному входу АЦП 2 с первого входа 1 устройства приложено постоянное напряжение x, равное значению известной ортогональной составляющей вектора. Код на цифровом информационном выходе АЦП 2 равен

Код К₂ подается на цифровой вход первого ЦАП 3, ко входу опорного напряжения которого приложено синусоидальное напряжение с выхода ГСН 5. В результате на выходе первого ЦАП 3 присутствует синусоидальное напряжение, действующее значение которого равняется

Напряжение подается на первый вход сумматора 4.

Цепь задания напряжения , пропорционального определяемой составляющей вектора, состоит из элементов 5, 7, 9, 23 устройства. Начнем рассмотрение работы устройства с произвольного момента времени, в который содержимое счетчика 23 равно нулю. В этом случае выходное напряжение ЦАП 9, имитирующего вторую определяемую ортогональную составляющую вектора, также равно нулю. Выходное напряжение сумматора 4 при этом равняется (см. фиг.3)

Преобразователем ППНП 10 осуществляется преобразование поступающего на его информационный вход переменного напряжения в постоянное, равное амплитудному значению входного напряжения, т.е. Z. Это напряжение запоминается в АБП 12.

Управление блоками 10 и 12 устройства осуществляется следующим образом. В начале каждого периода синусоиды с выхода ГСН 5 по переднему фронту выходного напряжения НО 6 запускается одновибратор 11. Выходной короткий импульс последнего, воздействуя на управляющий вход коммутатора 29 ППНП 10 (см. фиг. 2), разряжает конденсатор 28 до нулевого напряжения. Затем осуществляется заряд конденсатора 28 до амплитудного значения входной синусиоды. Последующему разряду конденсатора 28 препятствует диод 27. При снижении синусоиды до нуля (это происходит в середине периода) НО 6 отпускает, запуская одновибратор 13, выходной короткий импульс которого вписывает выходное напряжение ППНП 10 в АБП 12.

После прохождения 3/4 длительности периода синусоиды выходного напряжения ГСН 5 отпускает НО 8, приводя в действие одновибратор 19, выходной короткий импульс которого прикладывается ко вторым входам элементов И-НЕ 17 и 18.

Учитывая, что к прямому входу компаратора 20 (предохраняющего устройство от неустойчивого пульсирующего режима непрерывных переключений за счет предусмотренной зоны нечувствительности) с выхода ФМ 21 приложено напряжение /z-x/>ΔU, на его выходе присутствует единичное напряжение, приложенное к третьим входам элементов И-НЕ 17 и 18.

Поскольку в этот момент времени к инвесному входу компаратора 15 с выхода АБП 12 приложено напряжение, равное x<z, то на прямом выходе компаратора 15 присутствует единичное напряжение, а на и инверсном - нулевое. Следовательно, импульс с выхода одновибратора 19, проходя через элемент И-НЕ 17, поступает на прогрессивный вход счетчика 23 и увеличивает его содержимое на единицу - оно становится равным 0001 (при его 4-разрядном исполнении). Код счетчика 23 прикладывается к цифровому входу ЦАП 9, на выходе последнего появляется синусоидальное напряжение, действующее значение которого равно (см. фиг.3)

Учитывая, что напряжение, приложенное с выхода ФСБ 7 ко входу опорного напряжения второго ЦАП 9, отстает от напряжения ГСН 5 на 90^o, напряжение также отстает от напряжения на 90^o (см. фиг.3).

Выходное напряжение сумматора 4 с этого момента времени равно:

Модуль суммарного вектора равен (см. фиг.3)

С помощью ППНП 10 переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение:

Учитывая, что U'₁₂=U'₁₀<z, на прямом выходе компаратора 15 по-прежнему присутствует единичное напряжение. Поэтому в следующем периоде выходного напряжения ГСН 5 вновь увеличивается содержимое счетчика 23, его выходной код становится равным 0010, а выходное напряжение ЦАП 9 принимает значение:

Соответственно выходное напряжение ППНП 10 и АБП 12 становится равным

Наконец, в третьем периоде синусоиды с выхода ГСН 5 содержимое счетчика 23 становится равным 0011, а выходное напряжение ЦАП 9 достигает значения:

Выходное напряжение ППНП 10 и АБП 12 достигает значения:

В результате выравнивания входных напряжений компаратор 15 отпускает, напряжение его прямого выхода спадает до нуля, закрывая элемент И-НЕ 17 и открывая элемент И-НЕ 18. Также спадает до нуля выходное напряжение компаратора 20, закрывая оба элемента И-НЕ 17 и 18 для прохождения импульсов с выхода одновибратора 19. В дальнейшем содержимое счетчика 23 не изменяется, а на выходе ЦАП 24 с этого момента присутствует неизменное постоянное напряжение:

Такой сбалансированный режим покоя продолжается до тех пор, пока не изменятся значения модуля вектора z или известной ортогональной составляющей вектора x. Если в результате таких изменений модуль неизвестной ортогональной составляющей вектора y должен был бы увеличиться (по векторной диаграмме на фиг.3), то содержимое счетчика 23 увеличивается за счет поступления в каждом периоде колебаний ГСН 5 импульсов с выхода одновибратора 19 через элемент И-НЕ 17 на прогрессивный вход счетчика 23, если же модуль у должен был бы уменьшиться, то содержимое счетчика 23 уменьшается за счет поступления импульсов с выхода одновибратора 19 через элемент И-НЕ 18 на регрессивный вход счетчика 23.

Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известными являются расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности определения модуля второй ортогональной составляющей вектора в динамическом режиме, т. е. при изменяющихся модулях вектора и его первой ортогональной составляющей, а также повышение быстродействия за счет сокращения времени работы устройства при очередных изменениях вектора (что, в свою очередь, достигается за счет обеспечения возможности увеличения или уменьшения модуля моделируемой неизвестной ортогональной составляющей вектора только на величину его приращений при очередных изменениях). Схема устройства реализуется на интегральных микросхемах.

Список использованных источников информации:
1. А.с. 1458878 СССР, кл. G 06 G 7/22, 1987.

2. Патент 2079884 РФ, кл. G 06 G 7/22, 1997 (прототип).

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться в гибридных аналого-цифровых устройствах и системах обработки аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения возможности определения модуля второй ортогональной составляющей вектора в динамическом режиме, а также повышение быстродействия за счет сокращения времени работы устройства при очередных изменениях вектора. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговые преобразователи, сумматор, генератор синусоидального напряжения, нуль-органы, фазосдвигающий блок, преобразователь переменного напряжения в постоянное, одновибраторы, аналоговый блок памяти, блок вычитания, компараторы, элементы И-НЕ, формирователь модуля, реверсивный счетчик, источник опорного напряжения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство следящего типа для определения модуля второй ортогональной составляющей вектора, содержащее аналого-цифровой преобразователь, первый, второй и третий цифроаналоговые преобразователи, сумматор, преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый нуль-орган, первый компаратор, источник опорного напряжения, фазосдвигающий блок, генератор синусоидального напряжения, выход которого соединен со входом опорного напряжения первого цифроаналогового преобразователя и через фазосдвигающий блок - со входом опорного напряжения второго цифроаналогового преобразователя и входом первого нуль-органа, выход источника опорного напряжения соединен со входами опорного напряжения третьего цифроаналогового преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого является первым входом устройства, а информационный выход соединен с цифровым входом первого цифроаналогового преобразователя, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены со входами сумматора, выход которого соединен с информационным входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход третьего цифроаналогового преобразователя является выходом устройства, второй вход устройства соединен с неинвертирующим входом первого компаратора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены реверсивный счетчик, блок вычитания, формирователь модуля, второй нуль-орган, второй компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй элементы И-НЕ, аналоговый блок памяти, информационный вход которого подключен к выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, а выход соединен с инвертирующим входом первого компаратора и входом вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого подключен ко второму входу устройства, а выход через формирователь модуля соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, инвертирующий вход которого является третьим входом устройства, а выход соединен с объединенными третьими входами первого и второго элементов И-НЕ, вторые входы которых объединены между собой и через третий одновибратор подключены к выходу первого нуль-органа, выход генератора синусоидального напряжения соединен со входом второго нуль-органа, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и через первый одновибратор соединен со входом сброса преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход второго одновибратора соединен с управляющим входом аналогового блока памяти, первые входы первого и второго элементов И-НЕ подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого компаратора, а выходы соединены соответственно с прогрессивным и регрессивным входами реверсивного счетчика, информационный выход которого соединен с цифровыми входами второго и третьего цифроаналоговых преобразователей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит коммутатор, диод, конденсатор и резистор, причем анод диода является информационным входом преобразователя, а катод, являющийся выходом преобразователя, подключен к информационному входу коммутатора и через конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, подключенной через резистор к выходу коммутатора, управляющий вход которого соединен со входом сброса преобразователя.