Устройство для логарифмирования отношения сигналов Советский патент 1987 года по МПК G06G7/24 

1300506

ст пи щи ко ад ле си

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для использования в электроизмерительных и информационно-измерительных установках различного назначения, в частности в фотометрах и спектрофотометрах.

Целью изобретения является сокращение времени измерения и выравнивание времен измерения в случае знакопеременной выходной величины.

На фиг.1 изображена функциональная схема предложенного устройстваi на фиг.2 - временная диаграмма его работы для случая, когда отношение сигналов больше единицы (логарифм положительный); на фиг.З - то же, когда отношение сигналов меньше единицы (логарифм отрицательный); на фиг.4 - блок-схема алгоритма работы блока управления и устройства в целом.

Устройство (фиг,1) состоит из усилителя 1 с регулируемым коэффициентом передачи, связанного с ним цифро- аналогового преобразователя (ЦА11) 2 и интегратора 3. Выход интегратора 3 соединён с входом компаратора 4, на второй вход которого подключен выход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5, а выход признака равенства компаратора 4 связан с входом запуска счетчиков 6 и 7 и входом внешних прерываний блока 9 управления. На счетные входы счетчиков 6 и 7 поступают тактовые импульсы с блока 9 уп- т добиться максимального подавления

равления. Кроме этого, выход усилителя 1 соединен с входом компаратора 8, на второй вход которого подается

помех, имекнцих частоту 50 Гц или

опорное напряжение U..

а выход призжению UQ. Это необходимо для того, чтобы основная измерительная часть

кратную ей. До момента t блок управления через ЦАП 2 и компаратор 8 устанавливает такой коэффициент передачи нака равенства связан с входом внеш- Q усилителя 1, чтобы уровень сигнала «их прерываний блока 9 управления. V, условно принятого за опорный, на Блок 9 управления обеспечивает его выходе бьш равен опорному напря- управление ключами, ЦАП и счетчиками, выдает цифровой код на ЦАП, получает информацию от компараторов и счетчи- устройства работала в оптимальном ре- ков. Он состоит из центрального про- жиме. Перестройка коэффициента пере- цессора (1Щ) 10, тактового генерато- дачи осуществляется по принципу пора 11, системного контроллера 12, разрядного уравновешивания (кодирования), т.е. сначала включается старший гп разряд ЦАП, о разности напряжений на выходе элемента 1 и U, компаратор сигнализирует через контроллер 18 прерываний в ЦП 10, последний принимает решение о старшем разряде и под- через такой же интерфейс 17 вьщается ключает следующий разряд ЦАПа и т.д. результат измерения. Информация об В дальнейшем полученный код сохраня- измеНении состояния компаратора пере- етЬя, тем самым неизменным сохраня- дается в ЦП 10 через контроллер 18 ется и коэффициент передачи усили- прерьшаний, через который все устрой- теля 1.

буфера и дешифратора 13 адресов, оперативного 14 (ОЗУ), и постоянного 15 (ПЗУ) запоминающих устройств. Управляющие сигналы на операционную часть устройства передаются через универсальный интерфейс t6 вводы-выводы.

6

ство синхронизируется частотой 50 Гц питающей сети по сигналам, поступающим от формирователя 19, Системный контроллер 12, буфер и дешифратор 13 адресов выполняют роль согласовате- лей общей шины и входных и выходных сигналов.ЦП 10,

Входы ключей 20 и 21 являются первым и вторым информационными входами устройства, Выход усилителя 1 с регу- лируемьм коэффициентом передачи через ключ 22 подключен к входу интегратора 3, в состав которого входят масштабный резистор R, интегрирующий кон- денсатор С, времязадающий резистор

R

ключ 23 сброса интегратора, ключ

24 разряда интегратора и операционный усилитель 25.

Работа устройства иллюстрируется

фиг,2 и 3, где: тактовая частота 50 Гц; S- сигнал на выходе интегратора; 6 - сигналы на выходе ЦАП 5; г - сигнал включения ключа 22; - сигнал включения ключа 23; е - сигнал

включения ключа 24; х - разрешение работы счетчика 7; j- разрешение работы счетчика 6,

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

ЦП 10 работает по программе, хранящейся в ПЗУ 15, Работа блока 9 управления через контроллер 18 прерываний синхронизирована с частотой питающей электрической сети 50 Гц, что позволяпомех, имекнцих частоту 50 Гц или

жению UQ. Это необходимо для того, чтобы основная измерительная часть

кратную ей. До момента t блок управ ления через ЦАП 2 и компаратор 8 уст навливает такой коэффициент передачи усилителя 1, чтобы уровень сигнала V, условно принятого за опорный, на его выходе бьш равен опорному напря- устройства работала в оптимальном ре жиме. Перестройка коэффициента пере- дачи осуществляется по принципу поразрядного уравновешивания (кодирова ния), т.е. сначала включается старши разряд ЦАП, о разности напряжений на выходе элемента 1 и U, компаратор сигнализирует через контроллер 18 прерываний в ЦП 10, последний принимает решение о старшем разряде и под ключает следующий разряд ЦАПа и т.д. В дальнейшем полученный код сохраня- етЬя, тем самым неизменным сохраня- ется и коэффициент передачи усили- теля 1.

После этого по сигналам с интерфейса 16 ключи 20 и 22 замыкаются, 21, 23 и 23 34 - размыкаются и в течение времени

ti интегратор инV,. К

тегрирует входное напряжение моменту t , когда размыкается ключ 22 и интегратор 3 йереходит в режим хранения, напряжение на его выходе равно

1 . V . (t

R с 2

t, ). (1)

За время t j блок 9 управления,

равный величине Q, выдается на Ц 5, при этом на вход компаратора 4 него подается напряжение VQQ. В м мент t, включается ключ 24 и емко интегратора начинает разряжаться, этот же момент включается счетчик Когда напряжение на емкости сравн ется с напряжением VQ, срабатыва компаратор 4 (момент tg) и по его сигналу включается счетчик 6, а бл управления вьщает на ЦАП 5 код 3/

ЦАП 5 и второй компаратор 4 осуществляют аналого-цифровое преобразова- J5 Р т.е. на входе компаратора 4 - ние этого напряжения, реализуя алгоритмы поразрядного уравновешивания как в первом случае. ЦП 10 вычисляет величину 3/4 от полученного результанапряжение V,, . В момент tg ком

ратор 4 зафиксирует момент равенс напряжений на своих входах и счетч 7 останавливается. Время его счет

та Р , и этот код выдает на ЦАП 5. Та-20 равно времени разряда конденсатора

КИМ образом, на вход компаратора подается напряжение

ко„п.. 3/4

(2)

t включаются ключ 24 и счет-25 За

ИМТ.1

В момент

чик 7, напряжение на емкости интегратора падает по экспоненциальному закону, пока не сравняется в момент t с напряжением V, . В это время счетчик прекращает счет тактовых импульимп

30 Это ляе

сов. Время разряда емкости t, определяется выражением

VBSUU.L

V.... -1

За это время в счетчик 7 поступит импульсов тактовой частоты

«.. t

где Т 40

45

период следования импульсов тактового генератора 11 блока 9 управления.

Величина N считьгоается со счетчика 7 и запоминается в блоке 9 управления, а счетчик 7 обнуляется.

К моменту tj интегратор 3 приводится в исходное состояние ключом 23, а во время tg- t интегрируется второй входной сигнал. К моменту tg нап-50 ряжение на выходе интегратора 3 равно

-1 .у R, с 1

ЧЧ)

R.C

(4t,).

так как

(ts- Ч (Ч- t,)- В

момент

tg ключ 22 размыкается и напряжение

V,

преобразуется в цифровой код Pj. Этот код в ЦП 10 сравнивается с

км т. 5

константой Qo и, если

Р.

Q , то код,

равный величине Q, выдается на ЦАП 5, при этом на вход компаратора 4 с него подается напряжение VQQ. В момент t, включается ключ 24 и емкость интегратора начинает разряжаться, в этот же момент включается счетчик 7. Когда напряжение на емкости сравняется с напряжением VQ, срабатывает компаратор 4 (момент tg) и по его сигналу включается счетчик 6, а блок управления вьщает на ЦАП 5 код 3/4

Р т.е. на входе компаратора 4 -

Р т.е. на входе компаратора 4 -

напряжение V,, . В момент tg компаратор 4 зафиксирует момент равенства напряжений на своих входах и счетчик 7 останавливается. Время его счета

от напряжения V

ИНТ 5

ДО V.

9 -К.

С In

1

Vj,(OMnj

VnnT.5

или

(5)

счетчик именно

насчитает N

X

N

Ьа.

«а

30 Этот код считывает ляет величину

NX

35

(6) ЦП 10 и он вычис(7) После преобразований и подстановки

величин V,

40

ИНТ.1

И .I получим

N.

-1- In Ij. Т V,

(В)

т.е. искомую величину, так как величина Ni положительна.

v,v.

45

цкод Q

ЦЦ 10 выдает на равный 1/16 Q,

т.е. на вход компаратора подается

0

напряжение V.

к

1/16 Ул . В момент

5

t,j вновь наступает равенство напряжений на входе, и компаратор прерывает работу счетчика 6, который работал время t| Цц - tj. Так как это время равно времени разряда от напряжения VQ до V,

QIC

то

.- -V - -«.

С-1п 1/16. (9)

Счетчик 6 за это время насчитал , импульсов, а именно

tjs Л- Т.

In 1/16, (10)

N,

In 1/16

NK

In Тб

(11)

Подставляя это выражение в формулу 8, получим

Njj In 16

1„

(12)

Т.е. величину, не зависящую от значений врёмязадающих параметров R , R , Сит,.

В соответствии с этим после момента 1.„ ЦП ТО вычисляет поправочный

М

.Л..

In 16 ыходная величина

V

после чего

- М -In

IJ. V.

(13)

4 маскируются, в другие моменты времени маскируются прерывания от компараторов 8.

Таким образом, предлагаемое устЧ- э ратора

Таким образом, в результате автокалибровки, которая выполняется в то же время, что и собственно измерение, получается результирующий код, не зависящий от воздействия дестабилизации 30 ройство характеризуется сокращенным факторов (температуры, старения и пр.) циклом работы, так как период автр- на времязадающие цепи.

калибровки совмещен с собственно преобразованием, и оно работает по сокращенной единой программе незави

Отметим, что в момент t код 3/4 сравнивается с величинами Q. и Q в

калибровки совмещен с собственно преобразованием, и оно работает по сокращенной единой программе незавировка запрещается,

(t-, tq) или tq

g 9 ся, что

случае их примерного равенства калиб- 35 симо от того, больше или меньше единицы отношение входных сигналов, т.е. при знакопеременной выходной величине.

Предлагаемое устройство может 40 иметь отрицательный диапазон (до 70- 80% от положительного), однако коэффициент 3/4 в формуле (2), определяюIщий величину отрицательного диапазона ( 10%), выбран из соображений оп- 45 тимальных режимов работы элементов, влияющих на погрешности преобразования.

так как моменты g , Цд попарно сближают может привести к неоднозначности работы схемы. В случае, если Р , калибровка также запрещается и в расчетах участвует старый калибровочный коэффициент.

В случае, когда V, V, т.е. результат преобразования в соответствии с (7) получается отрицательным, устройство работает аналогично описанному. На фиг.З показан случай,

- примерно равно Qo и каравна или превос- (это анализирует- Ц ), измерение вообш;е не

когда 3/4 Р

либровка запрещена. Кроме этого, когда величина 3/4 Р, ходит величину Р , ся в момент производится, так как величина t в (5) в этом случае принимает отрицательное значение. В таком случае результату присваивается максимально возможное отрицательное значение. Если же величина 3/4 Р близка к ну50

Формула изобретения

Устройство для логарифмирования отношения сигналов, содержащее три ключа, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, интегратор, 55 первый компаратор, первый и второй счетчики и бяок управления, причем информационные входы первого и второго ключей являются первым и вторь(м информационными входами устройства,

0506

лю

производится, t. в (5)

6

измерение также не так как при этом время . стремится к со и результату присваивается максимальное значение.

с Полученный результат через интерфейс 17 передается на выход устройства, причем отрицательное значение выдается в виде абсолютной величины со знаком. После вьщачи результата

10 работа устройства повторяется.

Как было указано, блок 9 управления работает по программе, хранящейся в ПЗУ. Блок-схема программы соответ- .ствует алгоритму работы устройства,

(5 |приведенному на фиг.4, за тем исклю- |чвнием, что во время интегрирования :(t - tjj) или приведения устройства в исходное состояние ( tg) и в некоторые другие моменты ЦП 10 не выпол20 няет активных действий и находится в состоянии Стоп - в ожидании прерывания, которое приходит либо по сигналам 50 Гц, либо про сигналам с компараторов. Отметим, что в моменты

t, и t прерывания от компа6 I

4 маскируются, в другие моменты времени маскируются прерывания от компараторов 8.

Таким образом, предлагаемое уст25

Ч- э ратора

30 ройство характеризуется сокращенным ) циклом работы, так как период автр-

ройство характеризуется сокращенным циклом работы, так как период автр-

калибровки совмещен с собственно преобразованием, и оно работает по сокращенной единой программе незави50

Формула изобретения

Устройство для логарифмирования отношения сигналов, содержащее три ключа, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, интегратор, 55 первый компаратор, первый и второй счетчики и бяок управления, причем информационные входы первого и второго ключей являются первым и вторь(м информационными входами устройства,

7I

выходы первого и второго ключей подключены к информационному входу усилителя с регулируемьм коэффициентом передачи, выход которого подключен через третий ключ к информационному входу интегратора, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, выход признака равенства которого подключен к входу запуска первого счетчика, выход которо го подключен к первому входу задания интервала времени блока управления, с первого по шестой управляющие выходы которого подключены к управляющим входам с первого по третий ключей, к входу сброса интегратора и к входам начальной установки первого и второго счетчиков соответственно, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени измерения и выравнивания времени измерения в случае знакопеременной выходной вели чины, в него введены первый и второй цифроаналоговые преобразователи и второй компаратор, причем информационный выход блока управления является выходом измеряемой величину устройства, первый выход задания константы блока управления подключен к входу первого дифрбаналогового преоб

005068

разователя, выход которого подключен к входу задания коэффициента передачи усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход которого под- г ключен к первому входу второго компаратора, выход признака равенства которого подключен к первому входу внешних прерываний блока управления, второй вход второго компаратора являfO ется входом опорного напряжения устройства, второй выход задания константы блока управления подключен к информационному входу второго цифро- аналогового преобразователя, выход f5 которого подключен к второму входу первого компаратора, выход признака равенства которого подключен к второму входу внешних прерываний блока управления и входу запуска второго 20 счетчика, выходы которого подключены к второму входу задания интервала времени блока управления, счетные входы первого и второго счетчиков подключены к выходу тактовых импуль- 25 сов блока управления, с седьмого по девятый управляющие выходы которого подключены к входу управления разрядом интегратора и входам разрешения запуска первого и второго счетчиков

30 соответственно.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться в фотометрах и спектрофотометрах. Устройство измеряет логарифм отношения (ЛО) сигналов, при этом время измерения не зависит от знака ЛО, а автоматическая компенсация нестабильностей элементов устройства выполняется в ходе цикла измерения. Работа устройства основана на экспоненциальном законе разряда емкости через активное сопротивление. Входной сигнал предварительно интегрируется интегратором, затем его емкость разряжается от полученного уровня и 1 до некоторого уровня U, а время разряда измеряется с помощью счетчика и тактового генератора. После установки устройства в начальное состояние второй сигнал также интегрируется и емкость вновь разряжается от уровня и до и. ЛО вычисляется в микропроцессорном блоке управления как разность этих времен разряда. В процессе второго разряда в устройстве дополнительно фиксируются моменты прохождения напряжения на конденсаторе через уровни К и К/16, где К - калибровочный уровень. Время между этими моментами, пропорциональное Ig 1/16, используется для вычисления поправочного коэффициента, на крторый умножается выходная величина ЛО. 4 ил. (О сл сл о О5

фиг. 7

fj tS с ty

Фт.г

tstjtstat t,

Jftf;

p,

.3lff,0,

J

-П..

n

.3

-t

f -t

-

-t

Впав

Ист анаВка к/ночей в исходное паложение Устанобка коз1р1риииента передачи з/гепента 1

I HHtneiDUDoSaHue cutHO/iu Уг

1

X

яналого Щрпое преоиразевание (PI Вычисление Л М-Л

Разряд емкости, через Ki до уровня Pf Счет unntj/ibcoo Nn

(.читтоание кооа njn

Уст, интегратора f исхоЗное по/юж.

J Интегрирование cuiita/ia V,

налагоцафробае преодразо&ание /Pi - -

да

Редактор М.Келемеш

Составитель А.Мишин Техред М.Ходаннч

Заказ 1151/49 Тираж 673Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035., Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Риг t Корректор 0.Луговая