Устройство сравнения Советский патент 1983 года по МПК G05B1/01 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано в устройствах автоматического контроля напряжения. Известно устройство сравнения, в котором контролируемый (Ux) и опорный (UQ«) сигналы преобразуются во временные интервалы с посл,едую1цим вы делением разностного временного интервала П 3. Недостатками известного устройства являются наличие двух аналоговых элементов сравнения, из-за неидентичности характеристики которых возникают дополнительные погрешности, и неоднозначность работы при соотношений U.(Uop. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устрой ство для сравнения напряжений, содер жащее блок управления, выход которого соединен непосредственно с первым входом первого триггера, а через генератор линейно изменяющегося напряжения с первым входом компаратора, выход которого подключен ко второму входу первого триггера, элемент задержки, два элемента И, два ключа и второй триггер, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого элемента И и блока управления, а выход - с первым входом второго элемента И, первые входы первого и второго ключей соединены соответственно с первым и вторым входами устройства, вторые входы - с выходом первого триггера, со вторым входом второго элемента И и через элемент задержки с первым входом первого элемента И; а выходы - со вторым входом, выход которого подключен ко второму входу первого элемента И, а выход второго элемента И соединен с выходом устройства 2. Недостатками данного устройства являются наличие двух аналоговых ключей, из-за неидентичности которых возникают дополнительные погрешности ограниченные функциональные возможности, так как алгоритм работы и схема устройства не позволяют сравнивать напряжения при соотношении Ux 1оппотому, что ключ, оммутирующий напряжение Ux, включается после того, как напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения достигнет уровня напряжения Uofii кроме того, на выходеуст(5ойстваотсутствует качественная информация п результате сравнения (Ux вопили U( Jon) ; необходимость представления допуска (Ugn) только в аналоговой форме в ряде спучаев приводит к применению цифро-аналогового преобразователя (U/Tl) , возникновению дополнительной погрешности УАП, снижению точности сравнения за счет усложнения устройства в целом.

Уель изобретения - повышение точности сравнения и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство сравнения, содержащее первый элемент И, компаратор, . которого подключен к первому выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, вторым выходом подключенного к первым входам первого и второго триггеров, первые выходы которЬ1Х подключены к соответствующим входам второго элемента И, второй вход первого триггера соединен с выходом компаратора, введены первь|й элемент срав нениякодов и первый элемент ИЛИ, входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, причем входы первого элемента И соединены со вторыми выходами первого и второго триггера, а второй эход второго триггера соединен с выходом первого элемента сравнения кодов, входами подключенного к третьему, выходу генератора, линейно- изменяющегося напряжения, а также второй, элемент ИЛИ, последовательно соединенные второй элемент сравнения кодов, третий триггер и третий элемент И, второй вход которого соединен с первым, выходом первого триггера, а выход - с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход третьего триггера подключен к второму выходу генератора ли нейно изменяющегося напряжения, третий выход которого соединен со входами второго элемента сравнения кодов.

На фиг. 1 приведена структурная схема предложенного устройства сравнения; на фиг. 2 - диаграммы его работы .

Схема (фиг.1)содержит генератор 1 линейноизменяюи.(егося напряжения, компаратор 2, блоки 3 и i сравнения кодов, триггеры 5, и 7 элементы И 8, 9 и 10, элементы ИЛИ 11 и 12, генератор 13 тактовых импульсов, суммирующий счетчик 1, цифро-аналоговый преобразователь 15; входы 16, 17, и 18 устройства, выходы 19-23 устройства.

Генератор 1 линейно изменяющегося напряжения имеет первый выходке которого снимается аналоговое линейноизменяющееся напряжение, второй выход, на котором сигнал принимает значение логического О при установке генератора 1 в исходное состояние и первую группу выходов., на которых формируется цифровой код, пропорциональный мгновенному значению аналогового линейно изменяющегося напряжения. Ге.нератор 1 может быть выполнен, например, на основе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). При этом он содержит КАП 15, суммирующий счетчик 1 импульсов, выходы разрядов которого подключены ко входам разрядов LlAn 15 и к первой группе выходов генератора 1, генератор 13 тактовых импульсов. Первым выходом генератора 1 является выход ЦАП 15, а вторым выходом - выход импульсов переполнения счетчика 14.

Устройство сравнения может быть выполнено на стандартных узлах с применением серийных микросхем.

Устройство работает следующим образом.

По включению питания триггеры 5,6 и 7, счетчик импульсов устанавливаются в произвольное положение. Запускается генератор 13 импульсов. Имаульсы с выхода генератора 13 поступают на вход счетчика 1 и последовательно накапливаются в нем. В момент перёполнекия счетчика It на втором выходе«генератора 1 линейно-изменяющегося напряжения появляется импульс Uj(фиг.2), который устанавливает триггеры 5, 6, и 7 в исходное положение. В результате этого на второй вход элемента 9 И поступает уровень и - чогической 1,на первый уровень и5 2логического О, при этом на его выходе и на втором выходе 20 устройства устанавливается уровень Ug логического О. На второй вход элемента И 8 поступает уровень гической 1,. на первый - уровень Ugлогический О-,в результате чего на его .рыходе и на третьем выходе 19 уст ройства устанавливается уровень На ло гический О.Так как на входы элемента ИЛИ 11 поступают уровни логичес .кого О, то на его выходе и на первом выходе 20 устройства также устанавливается уровень и огичёского О, На второй вход элемента поступает уровень логической 1, на пер.вытй - уровень U-y логический О, в результате него на его выходе и на четвертом выходе 22 устройства устанавливается уровень U „логического О. На первом выходе генератора 1 ли. нейно изменяющегося напряжения напряжение U-j (фиг. 2) равно нулю. С этого момента (исходного положения) начина ется рабочий .цикл устройства. Импульсы с выхода генератора 13. по .ступают на вход счетчика Н и после. довательно накапливаются в нем. При этом на первом выходе генератора 1 Ч выходе ЦАП. .15) формируется ступенчатое, линейно-и.эменяющееся напряжение U.XJ (фиг.2), а наегр первой груп пе выходов-кодированный цифровой экв валент линейно изменяющего напряжения. , Напряжение Uj с первого выхода ге нератора 1 линейно-изменяющегося .на« пряжения поступает на первый вход ко паратора 1, на второй вход которого с первого .входа 16 устройства поступает контролируемое -напряжение Uy. Цифровой эквивалент линейно изменяющегося напряжения с первой группы вы ходов генератора 1 поступает на первые группы входов элементов 3 v(k сравнения кодов. На вторую группу входов элемента 3 сравнения кодов с первой группы 17 входов устройства поступае код N нижнего допуска, на вторую группу входов элемента 4 сравнения к дов со второй группы 18 входов устройства поступает код N/ верхнего до ;Пуска, гтричем N х N 2. . С выхода компаратора 2 выдается импульс и в момент, когда линейноизменяющееся напряжение достигает величины напряжения О. - О и.. XE: a, . , J- A t «n f 1 1 2 де п - число разрядов счетчика UQ - опорное напряжение ЦЛП; I - номер разряда двоично-кодированного числа; а - знак (цифра) -двоичной сие-темы счисления, .который прин 1мает значение О или 1. - - код, пропорциональ t , ный величине напря й «f жения U)i. От момейта t начала формирования линейно изменяющегося напряжения U (начала сравнения) до момента получения. импульса U2 формируется временной .интервал tj, пропорциональный коду Ц tx ToNx. . . где TO - период следования импульсов генератора 13С выхода элемента 3 сравнения кодов выдается импульс УЗ, когда цифровой эквивалент линейно -изменяющегося напряжения достигнет значения кода N-. От момента t начала сравнения до момента получения импульса U формируется временный интервал t, пропорциональный коду N t-t TO N . С выхода элемента сравнения кодов выдается умпульс 1)4, когда цифровой эквивалент линейно изменяющегося напряжения достигнет .значения кода N-. От момента начала сравнения до момента получения импульса U. формируется временной интервал to, пропорциональный коду N 2 t 2 То N2. - Алгоритм работы устройства сравнения зависит от соотношения контролируемого напряжения U,( и опорных напряжений Uop2i oTopue задаются кодами N. и N2 соответственно. В первом случае имеем Jqn-l onZ Uy U( следовательно N X MI N2 tx -t в м.омент равенства напряжения U напряжению U генератора -1 формируется импульс U2, который с выхода компаратора 2 поступает на первый, вход триггера 6 и переключает его. Уровень U(j.логической 1 с первого выхода триггера 6 поступает на первый вход- элемента И 8, в результате чего на его выходе, выходах элементов ИЛИ 11 и 12, первом, третьем и пятом. .выходах 23, 19 и 22 устройства формируется передний фронт выходного сиг нала U0, Ц,2соответственно. Пос ле этого в момент равенства кодов на первой и второй группах входов элемента 3 сравнения на его выходе формируется импульс Ui, который поступа ет на втором вход триггера 5 и перек лючает его. Уровень Uc.: логического О с первого выхода триггера 5 пос тупает на второй вход элемента И 8,. в результате чего на его выходе, выходах элементов ИЛИ и И 12, первом, третьем и пятом выходах 20,19 и 22 устройства формируется задний фронт выходного сигнала Un, и U o oo ветственно. При этом на выходах 20 и 22 устройства формируется импульс, длитель ность которого равна At tx- t TO(NX - N) At - ТоЛМ-1 . Знак минус показывает, что На третьем выходе 19 устройства формируется импульс длительностью 4t-i при выполнении условия . Таким образом, на первом и пятом выходах 20 и 22 устройства формируются импульсы длительность At которых пропорциональна разности контролируемого напряжения и напряже ния нижнего допуска, заданного кодом N х|. На третьем выходе 19 устройства формируется импульс длительностью ut; только при выполнении ус ло)ия Uy Uori является качественным признаком результата сравнения относительно нижнего допуска Uon Появление через время t2 импульса на выходе элемента 4 сравнения кодов, по которому переключается триггер 7, не приводит к изменению состояния выходов устройства. Рассмотрим случай, когда оп2 следовательно N-, NX N2 Ч tx t В момент равенства кодов на первой и в.торой группах входов элементов 3 сравнения формируется импульс Uj, который поступает на второй вход триггера 5 и переключает его. Уровень логической 1 со второго выхода триггера 5 поступает на первый, вход элемента 9 И, в результате чего на его выходе, выходе элемента ИЛИ 11, первом и втором выходах 20 и 21 устройства формируется передний фронт выходного сигнала Иэ соответственно. После этого в момент равенства напряжения напряжения 2-1 генератора 1 формируется импульс 2 который с выхода компаратора 2 поступает на первый вход триггера 6 и переключает его. Уровень и 2логического О со второго выхода триггера 6 поступает на второй вход элемента И 9, в р(гзультате чего на его выходе, выходе элемента ИЛИ 11 , первом и втором выходах 20 и 21 устройства формируется заданный фронт выходного сигнала и соответственно. При этом на выходе 20 устройства формируется импульс, длительность которого равнаTO(NX- N-,). 4t +To4N Знак плюс показывает, что На втором выходе 21 устройства фор мируется импульс длительностью 4t при выполнении условия N- NX. Таким образом, на первом выходе 20 устройства формируется импульс LL-, длительность Лt которого пропорциональна разности контролируемого напряжения и напряжения нижнего допуска, заданного кодом N-, На втором выходе 21 устройства формируется импульс длительностью t-j только при выполнении условия , что является качественным признаком результата сравнения относительно нижнего допуска IJonI Появление через время t2 импульса и на выходе элемента сравнения кодов, по которому пepekлючaeтcя триггер 7, не приводит к изменению состояния выходов устройства, . И, наконец, в случае, когда Uoni on2 -x следовательно N, N2 NX Сравнение напряжения Uy с напряжением UQ нижнего допуска производится аналогично сравнению при условии оп2 Далее устройство работает следующим образом, В .момент равенства кодов на первой и второй группах входов элемента 4 сравнения на его выходе формируется импульс ., который поступает на первый вход триггера 7 и переключает его. Уровень U- логической 1 с выхода триггера 7 поступает на первый вход элемента И 10, в результате чего на его выходе, выходе элемента ИЛИ 12, четвертом и пятом. выходах 23 и 22 устройства формируется передний фройт выходного сигнала и|2 оответственно. После этого в момент равенства напряжения и и напряжения Ug-- генератора 1 формируется импульс U2, который Q выхода компаратора 2 поступает на первый вход триггера 5 и переключает его. Уровень и „логического О со второго выхода триггера 6 поступает на второй вход элемента И 10 в результате чего на его выходе, выходе элемента ИЛИ 12, 4etBepTOM и пя том выходахi23 и 22 устройства форми руется, задний фронт выходного сигнала и псоответственно. При этом на выходе 22 устройства формируется импульс, длительность которого равна 2 t - 2 2) Д12 +ТрДЫ2 . Знак показывает, что Nj(N2 На,четвертом выходе 23 устройства формируется импульс длительностью /itrt при выполнении условия NX N2Таким образом, на пятом выходе 22 устройства формируется импульс длительность которого пропорциональна разности контролируемого напряжения и .напряжения верхнего допуска, заданного кодом N2. На четвертом выходе 23 устройства формируется импульс длительностью At2. только при выполнении условия Uj( оп2 что является ка :ттвенным признаком результата сравнения относительно верхнего допуска конце цикла на втором выходе, ге нератора 1 появляется уровень логического О (импульс переполнения счетчика 1), и устройство сравнения устайавливаётся в исходное состояние . .Далее процесс повторяется. Таким образом, предложенное устройство сравнения с новой совокупностью признаков выгодно отличается от прототипа ,так как повышается точность сравнения за счет исключени погрешностей коммутирующих ключей; расширяются функциональные возможное ти устройства путем обеспечения срав нения .контролируемого напряжения Uj с одним или двумя допусками, предста ленными кодами N и N 2 при любой величине и и выдачи не только количественного результата At-,, дt 2 срав нения, но и качественного ,+лц, + ut (меньше, равно, больше). Сравнение U только с одним допуском р.еализуется устройством по п.1 формулы 1 предлагаемого изобретения, сравнение U одновременно с двумя допусками- - по п. 2. Кроме того, представление величины допуска в виде кода позволяет задавать его величину непосредственно комбинацией логических уровней, что повышает эффективность использования устройства сравнения в системах вво-. да аналоговой информации с последующей логической обработкой. Это позволяет исключить цифро-аналоговые преобразователи, необходимые для фор.мирования опорных напряжений (допусков ). При многоканальном сравнении напряжений И) аппаратурные затраты существенно уменьшаются, так как генератор линейно изменяющегося напряжения может быть общим, а в каждом канале устанавливается компаратор| схема сравнения кодов и выходная логика. Технико-экономический эффект применения устройства сравнения заключается в том,- что повышаетсяточность сравнения, контролируемого и опорных напряжений при любой величине U;(, на выходах устройства формируются количественный и качественный результаты сравнения, величина опорных напряжений задается цифровым кодом, за счет-чего повышается эффективность работы устройства в системах ввода и первичной обработки аналоговой информации. Формула изобретения 1. Устройство сравнения, содержащее первый элемент И, компаратор, вход которого подключен к fiepeoMy выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, вторым выходом подключенного к первым входам первого и второго триггеров, первые выходы которых подключены к соответствующим входам второго элемента И, второй вход первого триггера соединен с выходом компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей устройства, введены первый элемент сравнения кодов и первый элемент ИЛИ, входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, примем входы первого элемента И соединены с вторыми входами первого и второго триггера, а второй вход вто рого триггера соедиИен с выходом первого элемента сравнения кодов, входами подключенного к третьему выходу генератора линейно изменяющегося напряжения . 2. Устройство по п. 1-, о т л и ч аю щ е е с я тем, что в него введены второй элемент ИЛИ, последовательно соединенные второй элемент сравнения кодов, третий триггер и третий элемент И, второй вход которого соединен с первым выходом первого триггеVOS pa, а выход - с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И второй вход третьего триггера подключен к второму выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, третий выход которого соединен с входами второго элемента сравнения кодов. Источники информации, принятые, во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 40510/t, кл. G 05 В 1/01, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 70234l, кл.С 05 В 1/01, 1978 . (прототип).

ontШп1 Уоп9 Ux

УХ