Способ возведения в квадрат электрических сигналов Советский патент 1984 года по МПК G06G7/20 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения аналоговых вычислительных устройств, выполняющих операции возведения в квадрат электрических сигналов. Известны способы возведения в, квадрат электрических сиН1алов, осно ванные на преобразовании входного сигнала в тепловой поток путем разогрева входным сигналом резистивного элемента и измерении температуры резистивного элемента, изменяющейся в функции квадрата входного сигнала С П.. Недостатками данных способов являются узкий динамический диапазон входных сигналов и низкая чувствительность. Динамический диапазон входных сигналов .ограничен допустимой температурой резистивного элемен та, применяемого для преобразования входного сигнала в тепловой поток. Низкая чувствительность объясняется как значительными тепловыми потерями от нагретого резистивного элемента в окружающую среду, так и низкой чувствительностью дифференциальных датчиков температуры,применяемых для преобразования температуры резистивного элемента в электрический сигнал Наиболее близким к предлагаемому является способ возведения в квадрат электрических сигналов, заключающийся в преобразовании входного сигнала в тепловой поток путем разогрева входным сигналом резистивного элемен та, преобразовании опорного сигнала в охлаждающий поток с помощью термоэлектрического охладителя, питаемого опорным сигналом, суммировании тепло вого и охлаждающего потоков на тепло проводе, регулировании характеристик опорного сигнала до момента равенства нулю суммарного потока, протекающего по теплопроводу, определяе мому по Моменту равенства температуры теплопровода температуре окружающей среды, определении квадрата вход ного сигнала по характеристикам опор ного сигнала С 23Недостатками известного способа являются низкая чувствительность и низкая помехоустойчивость, которые объясняются необходимостью преобразо вания разности температур между теплопроводом и окружающей средой в электрический сигнал, что заставляет использовать для этой цели дифференциальный датчик температуры (термопару) . Чувствительность лучших известных термопар составляет 400 мкВ/ /°С, чем и ограничиваются возможности повышения чувствительности известного способа. Низкий уровень выходного сигнала постоянного тока обуславливает и низкую помехоустойчивость известного способа. Цель изобретения - повьш1ение чувствительности и помехоустойчивости способа. Поставленная цель достигается тем, ЧТО согласно способу возведения в квадрат электрических сигналов, включакмцему преобразование входного сигнала в тепловой поток, преобразование опорного сигнала в охлаждающий поток, суммирование теплового и охлаждающего потоков и регулирование опорного сигнала до равенства cyi-iMapHoro теплового потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяют квадрат входного сигнала, дополнительно производят модуляцию плотности суммарного теплового потока, преобразуют модулированный тепловой поток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного теплового потока, равенство нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю демодулированного электрического сигнала. Введение операции модуляции плотности суммарного теплового потока с последукицим преобразованием модулированного потока в электрический сигнал переменного тока и операции демодуляции электрического сигнала синхронной с модуляцией суммарного теплового потока позволяет повысить чувствительность и помехоустойчивость предложенного способа. Это объясняется тем, что малые полезные электрические сигналы фиксированной частоты легко могут быть обнаружены на фоне значительных помех даже в том случае, если уровень полезного сигнала лежит ниже уровня шумов и наводок. На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - то же, вариант исполнения. Устройство содержит входной блок 1 (фиг. 1), микровольтметр 2 переменного тока, регулируемый источник 3 опорного сигнала. Входной блок 1 состоит из резистивного элемента 4, нанесенного на теплопровод 5, на котором установлен датчик 6 температуры, термоэлектрического охладителя 7, рабочая поверх ность 8 которого имеет тепловой контакт с теплопроводом 5, а теплоотводящая поверхность 9 термоэлектрического охладителя 7 имеет тепловой контакт с теплопроводящим корпусом 10, и теплового ключа 11, установленного между теплопроводом 5 и корпусом 10. . Выводы резистивногр элемента 4 служат входом устройства, выход датчика 6 температуры соединен с входом микровольтметра 2. Выход регулируемого источника 3 опорного сигнала соединен с цепью питания термоэлектрического охладителя 7. УправлякщЙ вход теплового ключа 11 подключен к клеммам 12. Клеммы 13, подключенные к выходу регулируемого источника 3, служат выходом устройства. Микровольтметр 2 представляет собой стандартный избирательный микровольтметр переменного тока. Регулируемый источник 3 опорного сигнала может быть выполнен в виде источника напряжения с регулируе1Ф1м выходным напряжением или в виде генератора прямоугольных импульсов со стабилизированной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов. Резистйвный элемент 4 может быть выполнен напьшением на теплопровод 5 выполненньй из диэлектрического теплопроводного материала, например из окиси бериллия. В качестве датчика 6 температуры может быть использован один из известных датчиков - термопара, термореэистор, термистор. При использовании термопары в качестве датчика тем пературы ее выводы непосредственно соединяются с входом микровольтметра 2. При использовании в качестве датчика температуры термистора он включается в плечо мостовой измерительной схемы, одна из диагоналей которой подключается к источнику питания постоянного тока, а другая слу жит выходом датчика температуры и подключается к входу микровольтметра 2. В качестве термоэлектрического охладителя 7 может быть использован стандартный полупроводниковый термоэлемент или батарея термоэлементов. В качестве теплового ключа 11 может быть использован стандартный магнитоуправляемый контакт с электромагнитным управлением. В этом случае выводы обмотки управления 1агнитоуправляемого контакта выполняют функции управляющего входа теплового ключа. Тепловой ключ 11 может быть выполнен также в виде тепловой трубы с управляемой теплопроводностью по одной из известных конструктивных схем. . Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит входной блок 1, регулируемый источник 3 опорного сигнала, усилитель 14 переменного тока, демодулятор 15 и измерительный прибор 16 постоянного тока. Процесс возведения в квадрат электрических сигналов осуществляют с тедующим образом. Входной электрический сигнал Xg. (напряжение или ток) преобразуют в тепловой поток путем разогрева входным сигналом резистивного элемента 4 (фиг. 1). Опорный электрический сигнал Хдр,Хц.| (напряжение или ток) регулируемого источника 3 опорного сигнала преобразуют в охлаждающий поток путем пропускания опорного сигнала по цепи питания термоэлектрического охладителя 7. Затем суммируют тепловой поток, вызванный входным сигналом, с охлаждающим потоком опорного сигнала на теплопроводе 5. Осуществляют модуляцию плотности суммарного теплового потока путем периодической коммутации теплового ключа 11, управляемого от тактовых импульсов, подаваемых от внешнего генератора на клеммы 12. В разомкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется значеНием суммарного теплового потока и величиной тепловой проводимости конструктивных элементов - охладителя, нагревателя и др. В замкнутом состоянии теплового ключа 11 плотность суммарного теплового потока определяется тепловойпроводимостью теплового ключа и упомянутых вьше элементов. Далее преобразуют модулированный суммарный поток теплопровода 5 в электрический сигнал переменного тока, что осуществляется с помощью датчика 6 температуры, установленного на теплопроводе 5. Вследствие периодического изменения плотности суммарного теплового потока температура теплопровода 5 также периодически изменяется, позтому выходной сигнал датчика 6 температуры представляет собой сигнал переменного тока. Регулируют опорный сигнал (вьпсодное напряжение регулируемого источника 3 опорного сигнала) до момента равенства нулю суммарного теплового потока (по показаниям микровольтметра 2 переменного тока), после чего по характеристикам опорного сигнала (по значенияю выходного напряжения, по значению тока на выходе регулируе мого источника 3 опорного сигнала) определяют квадрат входного сигнала. При использовании устройства на фиг. 2 способ возведения в квадрат электрических сигналов реализуют аналогично описанному, но в процессе регулирования опорного сигнала равенство нулю суммарного теплового потока определяют по равенству нулю электрического сигнала постоянного тока, полученного путем синхронной демодуляции электрического сигнала датчика температуры, для чего вйходной сигнал датчика 6 температуры усиливают усилителем 14 и дейодулируют демодулятором 15, синхронизированным сигналом, осуществляющим управление модуляцией тепловсго потока теплопровода 5 (сигналом с клемм 12). Полученный на выходе демодулятора 15 электрический си нал постоянного тока измеряют прибо ром 16 постоянного тока, по показаниям которого определяют равенство нулю электрического сигнала датчика температуры. После этого по характеристикам опорного сигнала на клеммах 13 определяют| квадрат входного сигнала. При использовании в качестве источника 3 опорного сигнала гене ратора импульсов со стабилизированной амплитудой и частотой и с регулируемой длительностью импульсов квадрат входного сигнала может быть определен по длительности импульсов источника 3, по среднему значению напряжения на выходе источника 3. В установившемся режиме, когда выходной сигнал синхронного демодулятора равен нулю, тепловой поток элемента 4, вызванный входным сигналом Xgj, полностью скомпенсирован охлаждающим потоком охладителя, вызванным током, протекающим от источника опорного сигнала через охладитель. Тепловая мощность , выделяемая входным сигналом в элементе 4, равна „2 Р, - -квадрат напряжения входного сигнала; -значение сопротивления элемента 4. Охлаждающая мощность РОХЛ вьщеляемая охладителем 7, равна р пт « где П - коэффициент пропорциональности (коэффициент Пельте); 1 - амплитуда тока, протекающего через охладитель; Ьр- длительность импульсов тока, протекакяцего через охладитель; период следования импульсов тока, протекающего через охладитель. В разомкнутом положении теплового ключа практически весь тепловой их поток замыкается через охладитель. лотность теплового потока с, протекающего через охладитель, опредеяется по формуле 1 5 где 5 - сечение элементов охладителя; ДР Т-РОХЛ. В замкнутом состоянии теплового люча плотность теплового потока сг авна VS 5 1% . де К - коэффициент, учитывающий ответвление теплового пото- ; ка через замкнутый тепловой ключ. Модулированный тепловой поток плотностями q, и с,, преобразуют в лектрический сигнал датчиком темпеатуры, преобразуя приращения темпеи uij в атуры теплопровода at электические сигналы U иЦ-: 2Т-Г: V 2V 2T-« где Д - коэффициент, характеризующий крутизну использованного датчика температуры; - длина элементов охладителя Л - коэффициент теплопроводнос ти элементов. Так как процесс регулирования оп ного сигнала заканчивают при равенс ве нулю переменной составляюи1ей электрического сигнала 4U U-,, 2Т(.( Следовательно, в состоянии равно весия тепловой поток через охладитель равен нулю-, что означает равен ство нулю суммы тепловой и охлаждаю щей мощностей Р - Р Ч эхл , Так как R const, ,и при использовании в качестве источника опорного сигнала генератора прямоугольньЪс импульсов с постоянной амплитудой и постоянной частотой . I const, T const, то обозначив - const получим вх Таким образом, длительность импульсов опорного сигнала пропорциональна квадрату входного сигнала. Учитывая, что -4- среднее зн чение тока, можно определять квадра входного сигнала по среднему значению тока опорного сигнала. Недостатки прототипа объясняются тем, что сигналом рассогласования, по которому определяется степень ко пенсации теплового потока, вызванного входным сигналом, охлаждающим потоком опорного сигнала, служит си нал постоянного тока низкого уровня вырабатываемый датчиком температуры В этих условиях возможности повьшения чувствительности способа-прототипа определяются характеристиками усилителя постоянного тока (его .дре фом, уровнем собственных шумов). Кроме того, внешние наводки и паразитные термо-ЭДС, возникающие в соединительных проводах, складывают ся с полезным сигналом и искажают результат квадратирования. При малы значениях разности теплового и охла дающего потоков величина полезного сигнала на выходе датчика температуры становится сравнимой с дрейфом и шумом усилителя постоянного тока, что не позволяет квадратировать малые сигналы. Согласно, предлагаемому способу вследствие введения операции модуляции плотности суммарного потока, преобразования модулированного потока в электрический сигнал переменного тока появилась возможность использования для выполнения операции преобразования модулированного потока в электрический сигнал высокочувствительного недифференциального датчика температуры (полупроводникового термистора), чувствительность которого в десятки и сотни раз вьш1е, чем чувствительность дифференциальных датчиков (термопар), необходимых для реализации известного способа. Это позволяет обнаружить весьма малые разности между тепловым и охлаждающим потоком, что эквивалентно повышению чувствительности способа. Вве- дение модуляции плотности потока позволяет определять момент равенства теплового и охлаждающего потоков по электрическому сигналу переменного тока, что исключает влияние нестабильности датчика температуры на результат квадратирования, а также позволяет использовать избирательное усиление сигнала переменного тока, обеспечивающее вьщеление полезного сигнала переменного тока фиксированной частоты даже при значительном уровне помех и шумов. Использование демодуляции электрического сигнала переменного тока, синхронной с модуляцией теплового потока теплопровода, позволяет в еще большей степени повысить чувствительность и помехоустойчивость способа, так как синхронная демодуляция позволяет обнаружить полезный сигнал переменного тока фиксированной частоты даже в том случае, если уровень помех превьш1ает уровень полезного сигнала. В результате сравнительных испытаний способа-прототипа и предлагаемого способа установлено, что чувствительность и помехоустойчивость предлагаемого способа по крайней мере в 20 раз Bbmie, чем известного.

И

5

-52

Af

/j и

IM

|i«

(4/1.2

СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ В КВАДРАТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, включающий преобразование входного .сигнала в тепловой поток, преобразование опор5 4 ного сигнала в охлаждающий поток, суммирование теплового и охлаткдающе- го потоков и регулирование опорного сигнала до равенства суммарного тепловото потока нулю, при этом по величине опорного сигнала определяют квадрат входного сигнала, о т.л и чающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности и помехоусточивости, дополнительно производят модуляцию плотности суммарного теплового потока, преобразуют модулированный тепловой поток в электрический сигнал, демодулируют его синхронно с модуляцией суммарного тепло вого потока, равенство нулю суммарного теплового потока определяют по (Л равенству нулю демодулированного электрического сигнала. .f