Устройство для анализа сложных функций Советский патент 1983 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и предназначено для графического анализа сложных функций, аналогичных исходным функциям, получейным с выхода аналитических приборов в ходе исследования многокомпонентных смесей. Исходные функху и представляют собой композицию из совмещенных пиков. С целью разложения исходной функции на N входящих в нее пиков производят графический анализ функций и под бор ее параметров, aнaлoгич ыx исходной. По площади индивидуальных пиков судят о количественном соотношении веществ, входящих в исследуе мую на аналитическом приборе многокомпонентную смесь. По значению положения каждого пика находят его соответствие тому или иному веществу (например, при аминокислотной ана лизе), либо судят о структуре исследуемого вещества (при спектроскопии белков). По значению ширины каждого пика судят о ходе процесса разделения многокомпонентной смеси или о структуре исследуемого вещества. Определение параметров индивидуальных пиков ( положение., ширина, амплитуда ) производят с помощью анализа модельной функции и входящих в нее индивидуальных пиков. Таким образом; оперативность подбора г/юдельной функции к исходной и точность съема параметров индивидуаль-ных пиков в ходе графического анализа модельной функции являются определяю щими параметрами для данного устройства.. Известно устройство для анализа сложных спектрограмм, содержащее бло ки формирования составляющих, сумматор, бпок развертки и регистрирующий прибор . Однако устройство обламдает низкой оперативностью подбора моделируемой функции под исходную из-за необходимости формирования медленной развертки функции по координате JV , чтобы исключить динамическую погрешность записи, и низкой точностью съема параметров пиков. Известно устройство для анализа сложных спектрограг.м, которое содержит блок развертки, корректор скорос ти, сумглатор, блок регистрации, состоящий из. дбухкоординатного самописца и цифрового вольтметра, а также группу блоков формирования составляющих, состоящих из последовател но соединенных-узла регулировки положения, узла регулировки ширины пика, формирователя функций, функцио нального п эеобразователя, узла регулировки амплитуды и узла регулировки асимметрии пика, выход которого соединен с вторым входом узла регулиров ки ширины пика 1,2. Известные устройства не обладают высокой оперативностью графического подбора модельной функции к исходной и имеют невысокую точность параметров индивидуальных пиков, что опреде;;яет низкую точность количественного анализа исследуемого ве- щества. Низкая оперативность работы устройства обуславливается необходимостью многократного вывода модельной функции на самописец в ходе подбора моделируемой функции к исходной. Общее время подбора модельной , . функции зависит от -длительности каждого цикла записи tu,, числа пиков N, . количества регулируемых параметров YW, числа подгонок для подбора каждого пика. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является прибор для разложения спектральных кривых СК-2 (З), содержащий последовательно соединенные первую группу операционных усилителей, группу функциональных .преобразователей Гауссо вого типа/ вторую группу операционных усилителей, сумматор, интегратор и цифровой вольтметр, выход сумматора через выходной коммутатор соединен с входами двухкоординатно1о самописда, вход блока развертки соединен с выходом сумматора, а выход через выходной коммутатор подключен к входам операционных усилителей первой группы, операционные усилители первой и второй группы содержат регулировочные резисторы 3. Недостатком устройства является, достаточно большая продолжительность анализа, обусловленная тем, что подбор положения, ширина и амплитуда моделируемых пиков смеси осуществляется в динамическом режиме. Кроме того, при динамическом режиме неизбежной является и высокая динамическая погрешность моделирования. Цель .изобретения - повышение быстродействия и точности работы устройства. Поставленная цель достигается тем, что Б устройство для анализа сложных функций,содержащее генератор пилообразного напряжения, первую группу операционных усилителей, выходы которых соединены с входами функциональных преобразователей группы, подключенных к входам операционных усилителей, второй группы, выходы к6торых соединены с входами cyMNtaтора, корректор скорости, выхсгд которого соединен с входом генератора пилообразного напряжения, двухкоррдинатный самописец, цифрЬвой вольтметр, интегратор, выходной коммутатрр, источник опорных напряжений и rpsmny переменных регулировочных резисторов, выход сумматора соединен с входами корректора скорости, интегратора и первым информационным входом выходного коммутатора, первый управляющий бход .которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, входы двухкоординатного самописца соединены с соответствующими выходами выходного коммутатора, дополнительно введены группа согладующих усилителей и группа коммутаторов, причем первые входцл когдалутаторов группы соединены с выводами переменных регулировочных Еюэисторов группы, вторые входы коммутаторов группы соединены с выходами источника опорных напряжений первые и вторые выходы, коквлутаторов группы подключены соответственно к вычитающим входам операционных уси41ителей первой и второй групп , третьи выходы коммутато1ров группы через соответствукядие согласующие усилители группы соединены с соответствующими информаи;ио.нными входами группы выходного коммутатора, группа управляющих входов которого подключена к четвертьм выходам коммутаторов группы, выход интегратора соединен с вторым информационным входом выходного коммутатора, к соответствующим выходам которого подколочены входы цифрового вольтметра, суммирующие входы операционных усилителей первой группы соединены с выходом генератора пилообразного напряжения.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит генератор 1 пилообразного напряжения, первую , .группу операционных усилителей 2, группу функциональных преобразователей 3 гауссова типа, вторую группу операционных усилителей 4, сумматор 5, интегратор 6, группу переменных регулировочных резисторов 7, источник 8 опорных напряжений, группу коммутаторов 9, группу согласующих усилителей 10, выходной коммутатор 11, двухкоординатный самописец 12, цифровой вольтметр 13, корректор 14 скорости. Каждый операционный усилитель 2 через соответствующий коммутатор, находящийся в исходном состоянии, подключен к регуляторам .положения и ширины, расположенных в,группе регулировочных резисторов 7. Положение каждого пика по координате X определяется вели чиной опорного напряжения/ подаваемого со средни выводов регуляторов положения, расположенных в группе 7, ерез соответствующие коммутаторы 9 группы на инвертируквдие входы операционных усилителей 2 группы одноврйленно с пилообразным напряжением развертки. При этом на выводы регуляторов положения напряжение

подается с источника 8 опорных на.пряжений через соответствующие коммутаторы 9 .группы.

Регулировку ширины каждого моделируемого пика осуществляют путем изменения коэффициента передачи пилообразного напряжения в соответстг вующих операционных усилителях.2 с помощью регуляторов, которые входят в группу 7 и подключены в цепь 0 обратной связи каждого из операционных усилителей .через соответствующие коммутаторы 9 группы.

Выходные напряжения операционных усилителей первой группы поступают на входы соответствующих функционсшь5ных преобразователей, входящих в группу функциональных преобразо- вателей 3.Каждый из функциональных преобразователей формирует нелинейную Гауссову, Лоренцеву или функцию

0 переходной формы в соответствии С зависимостью

р

- Ф ехр| -H- Jra f

42to

L 0

где Кф- коэффициент формы;

Дд - амплитуда пика , положение максимума пика;

«о- ширина пика, взятая на половине максимума амплитуди. I При формируется Гауссова функция, приКф 0 Лоренцова, а при

17Кф о переходная.

Выходные напряжения функциональных преобразователей 3 поступают на соответствующие входы операционных усилителей, входящих во вторую

группу операционных усилителей 4. ./ К каждому операционному усилителю 4 группы через контакты соответствующего коммутатора 9 группы в исходном состоянии подклю 1ен регу|лятор амплитуды, входящий в группу {переменных регулировочных резисторов 7.

Выходные напряжения операционных .усилителей второй группы поступают на соответствующие входы суммато-:ра 5, выход которого подключен к входу интегратора 6, входу коррек;тора 14 скорости и одному из входов выходного коммутатора 11, на вто- . рой вход которого поступает напряжение с выхода интегратора 6. ВьН ходные напряжения сумматора 5 и интегратора 6 поступают через коммутатор 11, находящийся в исходном состоянии, соответственно на вход

самописца 12 и цифрового вольтметра 13.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемую кривую помидают

на двухкоординатный самописец.

Устройство переводят в режим настройки, переключая сро ветству1ощие кс ®дутаторы 9 групгаз, при этсад контак ш виОранноРо коммутатора отKnsPisauT регуляторы полсетсення г ширйяш и амплитуды от соответст эу1сввих К-х операционных усилителей первой и второй группы и подключгизт к регуляторга соответсэ ву1(яда|е напр ркения, кото|Ж1е подаются с источшка S опорник напряжений.

Выходные напряжения К-х регуляторов положения, ширины и амплитуда через контакты И-го KcyMtsyra,то группы 9 лод«иотся на входы соответетвукваих согласующих усилителей 10..

Одновременно с этим с вшссща группы коммутаторов поступает управлякадий сигнал иа выходной коммутатор 11, которщй устанавливается в состоя ие соответству1сяцее режш индикации параметров и через соответств5 садие выхсдаа управляет режимами работы блоков регистрации, поднимая, перо самописца 12 и пере;Кли)чая режим работы цифрового вольтметра 13 из ждущего в автоматический

Согласующие усилители, входящие в группу 10, предназначены для имитации входного сопротивления первой

и BTOpcrfi группы операциовных усилителей, а также для согласования уровней выходных напряжений, поступающих на блоки регистрации. Таким образом, в режиме .индикации .параметров через , входной коммутатор 11 на входы блоков регистрации одновременно поступают следующие сигналы: на S вход самописца 12 - напряжение, пропорциональное положению (С -го пика по координате X , иа вход самописца 12 - напряжение, пропорциональное амплитуде К-го Пика, на вход цифрового вольтметра 13 - напряжение, пропорциональное ширине К-го пика. При этом перо самописца устанавливается точно в положение максимума пика, а на цифровом вольтметре индицируется значение ширины пика. Параметры согласуняцих усилителей группы 10 выбираются таким образом, чтобы они имели входное сопротивление, аналогичное входным сопротивлениям операционных усилителей первой и второй группы. При этом сохраняется соответствие регулировочных характеристик регуляторов в режимах подбора моделируемой функции и индикации параметров индивидуальных пиков при анализе сложных многокомпонентных смсей . После подбора параметров первого . пика сложной многокомйонентной смеси подключается к коммутатору 11 через коммутаторы 9 другая группа регуляторов положения, ширины и амплитуды второго пика и производится

с их noMotqbio установка пера самописг ца над второй анализируемой точкой (второй пик смеси) и выбирается ширина кривой по вольтметру. Такая операция повторяется число раз, равное чисзлу пиков в анализируемой, записи.

Затем устройство переводится в рабочий режим. При этом выходы настроенных регуляторов ширины, положег ния и амплитуда подключа отся к соответс твукадим операционным усилителям первой и второй группы коммутаторами Э. С выхода генератора 1 пилообразного напряжения напряжение развертки поступает на вход каждого из N операционных усилителей, входящих в пер вую группу операционных усилителей 2, одновременно напряжение-развертки подается через вfcзxoд roй комь1утатор 11 наЛС вход самописца 12, осуществляя разверч-ку записи моделируемой функции по координате X .

Корректор 14 скорости вырабатывает сигнал, пропорциональннй абсолютной величине производной, который поступает на управляющий вход генератора 1 пилообразного напряжения. Сигнал с. выхода корректора 14 управляет генератором 1 и развертка моделируемой функции по координате X зависит от скорости изменения моделирумой функции таким образом, чтобы скорость записи была постоянной, равной максимально возможной при заданной динамической погрешности.

Выходное напряжение с сумматора 5 через выходной коммутатор 11 поступает на двухкоординатный самописец 12, которз1й вычерчивает моделируемую кривую. По степени адекватности моделируемой и анализируемой функций судят о точности подбора параметров.

Устройство обеспечивает повышение быстродействия анализа за счет уме-ньшения количества промех уточных записей. Это обусловлено тем, что используя режим настройки возможно совместить максимум и положение моделируемого пика с положением и максимальной амплитудой исходной функции, а также установить значение ширины моделируемого пика по цифровому вольтметру без использования промежуточных записей.

Таким Образом, устройство позволяет сократить время. Т подбора совмещенных пиков на 40-50%, и на. 70-80% слабо совмещенных или разделенных пиков.

Устройство обеспечивает также снижение погрешЕ ости отсчета параметров пиков.

Поскольку нелинейности регулировочных характеристик регуляторов одинаковы в режимах подбора модельной функции к исходной и в ходе индикации параметров при анализе компонентов модельной функции, а сал

мописец при индикации параметров iположения и амплитуды находится IB статическом состоянии и динамическая погретаность отсутствует, погрешность вывода параметров положения и максимума пика определяется погрешностью подбора параметров согласлощих элементов и статической погрешностью самописца и не превшдает ± 0,25-0,5)%, что точнее по сравнению с отсчетом параметров по ручкам регулировок в десять раз или по отсчету по записи с динамическими погрешностями в пять раз. .

Погрешность измерения ширины пи5 ка также определяется погрешностью подбора параметров согласукяцих элементов и погрешностью измерения вольтметром и лежит в пределах + (0,15-0,257% , что точнее по срав 10 нению с отсчетом по ручкам регу- : лировок. . ./

УСТРОЙСТВО.ДЛЯ АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ ФУНКЦИЙ, содержащее генератор пилообразного напряжения, первую группу операционнЕях усилителей, выходы которых соединены с входами функциональных преобразователей группы подключенных к входам операционных усилителей второй группы, выходы которых соединены с входами сумматора, корректор скорости, выход которого соединен с входом генератора пилообразного напряжения, двухкоордиватный самописец, цифровой вольтметр, интегратор, выходной коммутдтор, источник опорных напряжений и группу переменных регулиро- . вочных резисторов, выход сумматора соединен с входами корректора скорости, интегратора и nepBHNi информационным входом выходного коммутатора, первый управляющий вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, .входы двухкоординатного самописца,соединены с соотв.етствующими выходами выходного коммута тора, отличающееся тем, что с целью повышения быстродействия и точности работы устройства при графическом анализе сложных функций, оно дополнительно йодержит группу, согласующих усилителей и группу коммутаторов, причем первые входы кс 1мутаторов группы соединены с вьгаодами переменных регулировочных резисторов группы, вторые входы коммутаторов группы соединены с выходами источника опорных напряжений, первые и вторые выходы коммутаторов группы подключены соКЛ ответственно к вычитающим входам операционных усилителей первой и второй групп, третьи выходы комМуTsfTopOB группы через соответствую§ щие согласуют : э усилители группы соединены с соответствующими информационными входами группы выходного коммутатора группа-управляющих э входов которого подключена к четвертым выходам коммутаторов группы, to з:) выход интегратора соединен с вторым информационным входом выходного коммутатора, к соответствующим выходам которого подключены входы циф1 рового вольтметра, суммирующие вхо-да операционных усилителей первой группы соединены с выходом генератора пилообразного напряжения.