Цифровой указатель экстремумов Советский патент 1985 года по МПК G05B13/02 

I1

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и Ножет быть использовано в системах автоматического контроля и управления для определения экстремальных значений аналоговых сигналов.

Цель изобретения - повышение надежности в работе устройства и расширение области применения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - процесс определения экстремумов и эпюры сигналов в разли шых точках устройства, поясняю щие принцип работы. ,

Устройство содержит генератор 1 тактовых.импульсов, компаратор 2, первый 3, второй 4, третий 5 и четвертьш 6 элементы 2И, реверсивный счетчик 7, цифроаналоговый преобразователь 8, Р5-триггер 9, D-триггер 10, одновибратор 11 и первый 12 и второй 13 счетные триггеры. Обозначены также выходные шины 14 и 15, Мин и Макс устройства соответственно, шина 16 входного сигнала, дополнительное приращение 17 уравновешивающего сигнала, уровни 18-20 квантования уравновешивающего сигнала, сигнал 21 на выходе генератора тактовых импульсов, сигнал 22 на выходе одновибратора, сигнал 23 на прямом выходе D -триггера, сигнал 24 на инверсном выходе D-триггера, сигнал 25 на суьФ1Ирующем входе реверсивного счетчика, сигнал 26 на вычитающем входе реверсивного счетчика, сигнал 27 на выходе элемента 2И 5, сигнал 28 на выходе элемента 2И 6, сигнал 29 на выходной шине Мин 14 устройства; сигнал 30 на выходной шине Макс 15 устройства.

Устройство работает следующим образом.

В основу работы устройства положен способ определения экстремума по изменению знака производной аналогового сигнала при прохождении им своего экстремального значения путем определения момента изменения знака приращения уравновешивающего сигнала при следящем аналого-цифровом преобразовании входного сигнала. Входной сигнал с шины 16 поступает на вход однопорогового компаратора 2, на другой вход которого подается уравновешивающий сигнал с выхода .цифроаналогового преобразователя 8

56 .2

(фиг. 1), Выходной сигнал компаратора 2 поступает на информационньш вход 15-триггера 10, который синхронизируется фронтом импульсов, поступающих с выхода генератора 1 тактовых импульсов. Таким образом, выходной сигнал компаратора 2 в момент подачи очередного тактового импульса -запоминается на прямом выходе D -триггера 10 на время, равное периоду следования тактовых импульсов. Прямой и инверсный выходы)-триггера 10 соединены, соответственно, с входами элементов 2И 3 и 4, на другие входы которых подаются счетные импульсы с выхода одновибратора 11, задержанные относительно тактовых, так как одновибратор 11 срабатывает по спаду тактовьпс импульсов (эпюры 21 и 22, фиг. 2).. /

В зависимости от состояния выходов D -триггера счетные импульсы подаются на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика 7 таким образом, что уравновешивающийсигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 8 следит за изменением входного сигнала. Б устройстве используется однопороговый компаратор, поэтому, если разность входного и уравновешивающего сигналов не превьпдает значения, соответствующего единичному приращению уравновешивающего сигнала, то устанавливается колебательный процесс слежения за . значением входного сигнала (фиг.2). Процесс слежения характеризуется тем, что на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика по очереди поступают по одному счетному импульсу до тех пор пока значение входного сигнала не станет больше или меньше соседних уровней квантования уравновешивающего сигнала. Как только это происходит, на суммиг рующий или вычитающий входы реверсивного счетчика поступает два счетных импульса подряд, что свидетельствует об увеличении или уменьшении входного сигнала соответственно. Например, если значение входного сигнала находится между уровнями 19 и 20 квантования (фиг. 2), то до прихода шестого счётного импульса величина уравновешивающего сигнала колеблется относительно входного. После превьшения входным сигналом уровня 19 квантования колебатель3

ный процесс нарушается и на суммирующий ВХОД) реверсивного счетчика поступает шестой счетный импульс, который является вторым подряд (эпюр 2.3 и 25, фиг. 2). Такая же ситуация складывается и в момент прихода девятого счетного импульса, после того, как величина входного сигнала превышает уровень 18 квантования. Когда величина входного сигнала становится меньше уровня 18 квантования на вычитакйций вход реверсивного счетчика поступает семнадцатьй счетный импулЬс, которьй является вторым подряд (эпюры 24 и 26), Такая же ситуация складывается и в момент прихода двадцать второго счетного импульса.

Вьщеление второго и последующих импульсов подряд на одном из входов реверсивного счетчика и определение вида экстремума осуществляется схемой, содержащей счетные триггеры 12 и 13, элементы 2И 5 и 6 и R5-триггер 9. Схема работает следующим образом.

На счетные входы триггеров 12 и 13, а также на первые входы элементов 2И 5 и 6 поступают счетные ш.пульсы с выхода одновибратора 11 (эпюра 22). Предположим, что в начальный момент времени счетные импульсы отсутствуют на прямом выходе iD-триггера сигнал с уровнем логической единицы, а на инверсном выходе при этом сигнал с уровнем логического нуля, что соответствует состоянию перед приходом, например, пятого счетного импульса на эпюре 22. Предположим, также, что перед этим триггеры 12 и 13 были обнулены и на их прямых выходах - с 1гналы с уровнем логического нуля. И появился счетный импульс с уровнем логической единицы Спад этого импульса вызьшает срабатывание триггера 12 и на его прямом выходе появляется сигнал с уровнем логической единицы, но уже после того, как,с входа элемента 2И 5 снимается счетньй импульс. Поэтому состояние выхода элемента 2И 5 не изменяется и соответствует сигналу с уровнем логического нуля (эпюра 27 При этом триггер 13 обнулен. Таким образом, после прохождения первого счетного импульса элемент 2И 5 подготовлен к приходу второго счетного импульса, который поступает на вы564

ход элемента 2И 5, если триггер 12 не обнулен, т.е. если D -триггер 10 не изменяет своего состояния после прохождения первого счетного импульса. .В этом случае второй счетный импульс (эпюра 27) поступает на вход RS-триггера 9 и на выходной шине Мин 14 устройства фиксируется уровень логической единицы (эпюра 29). Аналогично работает схема и при смене уровней сигналов на выходах В-триггера 10, но при этом импульсы появляются на выходе элемента 2И 6 (эпюра 28), а уровень логической единицы фиксируется на, вьгходной шине Макс 15 устройства (эпюра 30).

Для того, чтобы исключить сбои в работе при точном равенстве входного сигнала уровню квантования уравновешивающего сигнала и обеспечить однозначный переход этого уровня, в устройство ввеена положительная обратная связь с опережением, осуществляемая с помощью дополнительного раз ряда цифроаналогового преобразователя, управляемого сигналом с прямого выходаD-триггера. Опережающая положительная обратная связь с выхода компаратора на его вход, примененная в предлагаемом устройстве, отличается от обычной положительной обратной связи, созданяцей гистерезис компаратора тем, что необходимое дополнительное приращение 17 (фиг. 2) уравновешивающий сигнал получает не в момент превышения над входным, а раньше, когда после подачи очередного тактового импульса на -вход синхронизации D-триггера, сигнал на его прямом выходе разрешает прохождение очеред-

ного счетного импульса на суммирующий вход реверсивного счетчика Это происходит, например, при подаче на вход синхронизации D -триггера третьего тактового импульса (эпюры 21, 23 и 25).

Таким образом, в предлагаемом устройстве величина зоны нечувствительности всегда равна разностизначений двух соседних уровней квантования уравновешивающего сигнала и поэтому исключено влияние нелинейности характеристики преобразования цифроаналогового преобразователя на процесс определения экстремума, .Это позволяет использовать в качестве уравновещивающего сигнала, у которого величина приращений может мо нотонно изменяться по любому закону Зона нечувствительности и единичное приращение уравновешивающего сигнал составляют одно целое поэтому в предлагаемом устройстве отсутствует специальный формирователь зоны нечувствительности, выполненный, например, в виде двухпорогового устро ства сравнения или дополнительного разряда цифроаналогового преобразователя, как у известных устройств, А это повьппает стабильность работы . устройства и его надежность. По сравнению с известным у предлагаемого устройства существенно сн жена вероятность сбоев в работе или полного отказа при воздействии дестабилизирующих факторов (изменение окружающей температуры, нестабильности питающих напряжений, стар ние элементов и т.п.). Это вызвано тем, что для сохранения работоспособности предлагаемого устройства достаточно обеспечить минимально необходимую чувствительность компаратора и монотонность характеристики преобразования цифроаналогового преобразователя. В известном же устройстве требуется, помимо . ЭТОГО, обеспечить стабильность зоны нечувствительности, линейность характеристики преобразования и посто янство соотношения величины зоны нечувствительности и единичного приращения уравновешивающего сигнала, что является сложным и не всегда гарантирует надежную работу устройства. А для систем автоматического управления более важным является сохранение работоспособности, пусть даже при незначительном ухудшении точности. В предлагаемом устройстве примеиена логически надежная схема управ ления дополнительным разрядом и реверсивным счетчиком без использования коротких импульсов, длительност которых соизмерима с временем ерабатьшания логических элементов. Это повышает надежность устройства и де лает его нечувствительным к разбросу параметров элементов. Введение предварительного запоминания резуль тата ср.авнения входного и уравновещивающего сигналов с помощью 1 -триггера не только не снижает быстродействие устройства, а, наоборот, позволяет использовать стробируемые компараторы, обладающие значительно более высоким быстродействием. Применение предлагаемого устройства в системах автоматической оптимизации существенно расширяет их функциональные возможности, так как позволяет настраивать в оптимУм с одинаковой точностью различные сигналы, оптимальные значения которых заранее не известны, а известен лишь диапазон из возможных значений. Это достигается использованием в устройстве нелинейного цифроаналогового преобразователя, у которого величина приращения выходного сигнала увели.чивается с ростом этого сигнала. Можно применять и линейньш преобразователь с нелинейным элементом, например диодом, на выходе. В отличие от известного в предла- гаемом устройстве можно осуществлять непрерывный контроль работоспособности по наличию колебательного процесса слежения, который имеет место только при исправности аналогоцифрового преобразователя. В известном устройстве, приизмененном входном сигнале, информация об исправности реверсивного счётчика отсутст.вует. Преимуществом предлагаемого устройства является снижение затрат на разработку и изготовление за счет возможности применения серийных элементов, обладающих невысокой стабильностью параметров. По предлагаемому техническому решению изготовлен макет устройства, в котором использовались микросхемы серий 133, НО и 265. Устройство входит в состав сист.емы автоматической оптимизации выходной мощности усилителя и позволяет осуществить подстройку с неизменной точностью, равной 5%, при изменении возможного значения оптимальной мощности в 15 раз. Испытания макета показали надежную, без сбое)в, работу устройства в широких диапазонах изменений температуры и питающих напряжений.

ЦИФРОВОЙ УКАЗАТЕЛЬ ЭКСТРЕМУМОВ, содержащий генератор тактовых импульсов, компаратор, четыре элемента 2И, реверсивный счетчик, цифроаналоговьй преобразователь с дополнительным разрядом и ЕЗ триггер, причем первые входы элементов 2И соединены между собой, выходы первого и второго элементов 2И соединены соответственно с суммирукнцим и вычитающим входами реверсивного счетчика, выходы которого соединены с входами основ ньпс разрядов цифроаналогового преобразователя, выход которого., соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной входного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повьшения надежности его в работе и расширения области применения, в него введены D -триггер, одновибратор и два счетных триггера, причем информационньй D -триггера соединен с выходом компаратора, вход синхронизации - с выходом генератора тактовых импульсов и входом одновибратора, выход которого соединен с первыми входами элементов 2И и йходами первого и второго снетных триггеров, выходы которых соединены соответственно, с вторыми входами третьего и четвертого элементов 2И, выходы ко(Л торых соединены с входами RS-тригс гера, прямой выход D-триггера соединен с входом дополнительного разряда цифроаналогового преобразователя, с вторым входом первого элемента 2И и входом установки нуля первого счетного триггера, а инверсный выход D-триггера соединен с вторый входом второго элемента 2И и входом установ ки нуля второго счетного триггера. СП а