Устройство усреднения Советский патент 1984 года по МПК H03H11/54 

4

СО

Изобретение относится к радиотех-j нике и измерительной технике и может быть использовано для сокращения объема данных в установках технической диагностики по спектральному составу шумов и вибраций режимов 5 работы различных промьшшенных объектов, а также в медицине при измерении среднего давления крови в течение каждого сердечного цикла, определении среднего выдыхаемого объема 10 COj в каждом дыхательном цикле и т.д.

Известно устройство усреднения, содержащее N последовательно включенных Г-образных звеньев RC -фильт- 15 ров нижних частот с управляемой постоянной времени, регулирующими элементами которых являются полевые транзисторы, сопротивления которых определяются блоком управления 1 «20

Однако в известном устройстве велика постоянная времени переходного процесса при переходе от одного уровня сигнала к другому, что является причиной его недостаточного быстро- 25 действия.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство усреднения, содержащее блок

выборки и хранения, выход которого OQ

является выходом устройства, первый интегрирующий усилитель, вход которого является входом устройства, второй -интегрирующий усилитель, управляющие входы первого и второго инте- грирующих усилителей являются управляющим вхЬдом устройства, и делитель, входы, которого соединены с выходами первого и второго интегрирующих усилителей, а выход соединен с входом блока выборки и хранения С2 , 40

Недостатком известного устройства . является низкая точность, обусловленная погрешностью делителя аналого.вых величин, обладающего в реальных устройствах низкой точностью деления 45 и малым динамическим диапазоном входных величин. Известному устройству присуща низкая температурная стабильность, обусловленная применением в нем блока аналогового делителя на gn нелинейных элементах.

Цель изобретения - повышение точности в широком диапазоне температур,

Поставленная цель достигается тем, что в устройство усреднения,. . одержащее блок выборки и хранения, ыход которого является выходом устойства, первый интегрирующий усилиель, вход которого является входом стройства, второй интегрирующий уси итель, управляющие входы первого и торого интегрирующих усилителей вляются управляющим входом устройтва, введены триггер, первый вход оторого соединен с управляющим вхоом устройства, последовательно сое 65

диненные первый экспоненциальный . преобразователь, вход которого соединен с выходом второго интегрирующего усилителя, и компаратор, выход. которого соединен с вторым входом триггера и управляющим входом блока .выборки и хранения, второй экспоненциальный преобразователь, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения, элемент пам.яти, вход которого соединен с выходом первого интегрирующего усилителя, а выход соединен с другим входом компаратора, управляющие входы элемента памяти, первого и второго экспоненциального преоб)разователей соединены с выходом триггера, входы второго экспоненциального преобразователя и второго интегрирующего усилителя являются входом опорного напряжения

устройства.

На фиг, 1 представлена структурна электрическая схема предложенного усройства усреднения; на фиг. 2 { ct , 5, 8, г, d, е , ж, 3 , и I - эпюры напряже НИИ,; поясняющие работу устройства усреднения.

Устройство усреднения содержит первый интегрирующий усилитель 1, содержащий усилитель 2, конденсатор 3 и резистор 4, ключ 5, второй инте.грирующий усилитель б,содержащий усилитель 7,конденсатор 8 и резистор 9, ключ 10, триггер 11, первьай экспоненциальный преобразователь 12f содержащий конденсатор 13 и резистор 14, ключ 15, второй экспоненциальный преобразователь 16, содержащий конденсатор 17, ключД8 и резистор 19, компаратор 20, блЬк 21 выборки и хранения, элемент 22 памяти, содержащий ключ 23 и конденсатор 24, источник 25 опорного напряжения.

Устройство работает следуняаим образом.

Работа устройства состоит из двух стадий; подготовительной и стадии преобразования напр1 яжения.

На подготовительной стадии интегрируются входное (фиг,2а) и опор- ное напряжения в первом 1 и втором б интегрирующих усилителях соответственно, В конце подготовительной стадии выходное напряжение второго интегрирующего усилителя б и напряжени источника 25 используются при подготовке первого 12 к второго 16 экспоненциальных преобразователей соответственно к стадии преобразования напряжений.

На стадии преобразования напряжений выходные напряжения первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей изменяются по экспоненциальному закону до момента сравнения выходного напря5кения первого экспоненциального преобразователя 12 с выходным напряжением элемента 22 памяти. В качестве начального напряжения первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей, а также эле мента 22 памяти используются их вход ные напряжения в конечный момент под готовительной стадии. результате, на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 образуется напряжение, пропорциональ ное среднему значению входного иссле дуемого сигнала. Более подробно работу устройства рассмотрим начиная с подготовительной стадии с момента времени tg (фиг. 2J. С момента времени i, и до момента ключи 5. и 10 разомкнуты, триггер 11 взведен, в результате чего на его вы ходе сформировано напряжение уровйя логической единицы. При этом ключи 15, 18 и 23 замкнуты, отчего напряЬсения на выходе первого интегрирующего усилителя 1 и на выходе элемен1та 22 памяти одинаковы и пропорциональны интегралу входного напряжения действующего (пJpиcyтcтвyющeгo) на входе устройства, А напряжение на выходе второго интегрирующего усилителя б и на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 равны и изменяются по линейному закону, В момент времени t на управляющий вход устройства приходит очередной синхроимпульс Tj (фиг.2(0 который сбрасывает триггер 11 - устанавливает его в положение, при котором напряжение на его выходе соответствует уровню логического нуля (фиг. 2ж). При этом с момента i ключи 15, 18 и 23 размыкаются. Ключи 5 и 10 замыкаются на время действия синхроимпульса, в результате чего выходные напряжения первого 1 и второго 6 интегрирующих усилителей сбрасываются до нулевого уровня в момент прихода синхроимпульса (фиг.2 б,г . С момента t напряжение на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени ... i.j- ( где R - величина соп зотивления резис тора 14; величина емкости конденсатора 13 ( участок к-л на фиг.2(3 С этого же момента времени -fc наг лряжение на выходе второго экспонен-г циального преобразователя 16 изменяЕтся по экспоненциальному закону с постоянной времени , R,gC,T , (21 . где R« - величина сопротивления резистора 15; величина емкости кондё нсатр ра 17 (участок на Фиг.2э В момент времени t равенства вы- . ходных напряжений .первого экспоненциального преобразователя 12 и. элемента 22 памяти срабатывает компаратор 20, на выходе которого в момент срабатывания появляется короткий импульс (фиг, 2е), поступающий на вторые входы триггера 11 блока 21 выборки и хранения, который в момент времени i Фиксирует величину выходного напряжения второго экспоненциального преобразсзателя 16, являющуюся результатом измерения среднего значения входного сигнала V за время усреднения Т, и сохраняет его в виде напряжения в течение последующего времени (времени следующей подготовительной стадии и стадии преобразования) до новой выборки ().. . Триггер 11 в момент i импульсом компаратора 20 взводится, при этом erq выходное напряжение соответст;)ует уровню логической единицы (фиг,2ж) Ключи 15, 18 и 23 замыкаются, в результате чего выходные потенциалы первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей и элемента/ 22 становятся равными выходным напряжениям соответственно источника 25 и первого 1 и второго б интегрирующих усилителей, обеспечивая тем самым формирование подготовительной стадии к новому циклу измерения. Можно показать, что величина напряжения, зафиксированная и хранимая блоком .21 с момента времени t является вычисленным значением постоянной составляющей переменного напряжения Y при условии : , (1 ЧТО вытекает из следующегр; В момент i., напряжение на выходе элемента 22 (на конденсаторе 24) равно величине интеграла напряжения Vg , поступающего с выхода первого интегрирующего усилителя 1, за время усреднения Т tH+T т V. J-U Jt ,dt K.V, где in момент времени прихода предыдущего синхроимпульса Tj.j, L - постоянная интегрирования первого интегрирующего усилителя 1, определяемая выражением - 4 , В котором R величина сопротивления масштабного резистора 4 , а с - величина емкости конденсатора 3; К -- коэффициент пропорциональнести.

И сохраняется с момента 4 в течение последующего времени.

Напряжение на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 (на конденсаторе 13), равное напряжению, поступающему с выхода второго интегрирующего усилителя 6 в,момент ь , определяется величиной

циального преобразователя 16, будет равно согласно выражению (10) величине

/к V

ег

.

.(

(М 10

При выполнении условия выходное напряжение второго экспоненциального преобразователя 16 определяется- согласно где - ьеличина напряжения опорно го источника 25; - постоянная интегрирования второго интегрирующего.ус лителя 6, определяемая выражением , в котором Rg- величина сопротивления масштабного резистора 9, а Си - величина емкос ти конденсатора 8; - коэффициент пропорциональности. С момента -Д напряжение на Btjxoде лервого экспоненциального.преобразователя 12 изменяется по закону (t.tJ-- 2 . а на выходе второго экспоненциа-льного преобразователя 16 - согласно выражению () b( В момент -Ij напряжения на входах компаратора 20 сравниваются (t,).2(,)12 а напряжение на выходе второго экспонбнциального преобразователя 16 к моменту tj достигает.величины .(VM и,,(,,и„,е . (10, Так как время работы второго экс поненциального преобразователя 16 может быть определено из выражения (9) как то напряжение, до которого успевает разрядиться конденсатор 17 экспонен li-. как V, определяется выражением 5) , а . 1.(t-i,, ( Отсюда следует, что напряжение на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 в момен-г t;, выб ранное в этот момент блоком 21 выборки и Хранения (например, вольтметром мгновенных значений) и сохраняющееся в последнем до новой выборки (фиг.2й) , пропорционально выделенной постоянной составляющей переменного напряжения У за время усреднения т, При этом постоянный множитель oL в выражении (15) является масштабным коэффициентом. Таким образом, более высокая температурная стабильность предлагаемого устройства обеспечивается благодаря выделению постоянной направляющей переменных напряжений без применения аналогового делителя, выполненного в прототипе на нелинейных элементах. В предлагаемом устройстве выделение постоянной составляющей переменных напряжений выполняется на блоках, температурная нестабиль-., ность которых существенно изменяет. выходной результат. В сравнение с прототипом повышение точности вьвделения постоянной составляющей пере-: менных напряжений (т.е. повышение . точности измерения средних значений исследуемых сигналов) в предлагаемом устройстве также связано с выделением постоянной составляющей переменных напряжений без применения аналогового делителя, а следовательно, и без погрешности деления, достигающей в прототипе существенной величины.

а

В

ж

и

iHio

/{одгото итепьнай стадия /}1 гото1ительная стадия

УСТРОЙСТВО УСРЕДНЕНИЯ, содержащее блок выборки и хранения, выход которого является выходом устройства, первый интегрирующий усилитель , вход которого является входом устройства, второй интегрирующий усилитель, управляющие входы первого и второго интегрирующих усилителей являются управляющим входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности в широком диапазоне температур, в liero введены триггер, первый вход которого соединен с управляющим входом устройства, последовательно соединенные первый экспоненциальный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго.интегрирующего усилителя, и компаратор, выход которого соединен с вторым.входом триггера и управляющим входом блока выборки и хранения, второй экспоненциальный преобразователь, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения, элемент памяти, вход которого соединен с выходом первого интегрирующего усилителя, а выход соединен с другим входом компарато- Щ ра, управляющие входы элемента памяти, первого и второго экспоненциаль-/Л ного преобразователей соединены с выходом триггера, входы второго экспоненциального преобразователя и второго интегрирующего усилителя яв-G ляются входом опорного напряжения устройства.