Дифференцирующее устройство Советский патент 1987 года по МПК G05B5/01 

Изобретение относится к радиоэлектронике и предназначено для одновременной фильтрации аналогового сигнала, содержащего аддитивную смес полезной составляющей и высокочастот ной помехи, и получения любой п-й непрерывной производной профиль ро- ванного сигнала; может найти применение в устройствах автоматики, аналоговой вычислительной и контрольно- измерительной техники, в специализированных системах обработки информации, особенно в тех случаях, когда нижняя граничная частота помехи значительно превьшает верхнюю граничную частоту полезного сигнала.

Целью изобретения является упрощение и повышение точности устройства путем расширения динамического диапазона изменения напряжения входного сигнала.

На чертеже показана функциональна схема предлагаемого дифференцирующего устройства.

Устройство содержит источник 1 напряжения входного сигнала, цепочку 2 из q+n последовательно каскадно соединенных интегрирующих RC-звеньев п+1 повторителей 3 напряжения, п+1 корректирующих цепей 4, п+1 масштаб- ных преобразователей 5 и алгебраический сумматор 6 напряжений, где q и п - положительные целые числа, п - порядок производной.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Напряжение U (р) входного сигнал подается на вход цепочки 2 RC-звеньев. Пусть операторные функции передачи напряжения (ОФПН) каждого i-звена (i 1,q+n) Hj(i)(p) и последовательного каскадного соединения q+m звеньев (га 0,1,2,...,п) Н,,.(р) имеют вид

з.п(Р)

к

.и i

рТгл +1

рТ+1

3( (рТ+1)

(1)

где постоянные времени и коэффициенты передачи К/- звеньев принимаются соответственно равными, причем коэффициенты передачи равны 1

т V

1 , 1Х I

К 1

(2)

Соотношения (1) и (2) справедливы в идеальном случае, если не учитывать нагрузочное влияние последующих звеньев на предыдущие и нагрузочное влиь- г

3173952

яние входных.сопротивлений блоков, подключенных к звеньям, а также при равноминальном исполнении звеньев.

Напряжения U (р) с тых звеньев

и

(р) . UiilEl... (pT+D v

(га 0,1,2,...,п)

поступают на входы соответствующих масштабных преобразователей (повторители и корректирующие цепи в идеальном случае отсутствуют), где выполняется умножение этих напряжений на - масштабные коэффициенты В, равные

в„ От

п

0

5

Т m(n-m)i Промасштабированные напряжения

.. . . ug, (р)с;г

г,(Р) - (рТ) подают на входдз алгебраического сумматора, причем напряжения с нечетными значениями индекса m - на инвертирующие входы, а напряжения при m О и ш - четных - на неинвертирующие входы. Напряжение на выходе сумматора, равное выходному напряжению устройства записывается как

г

к,о - T(pT+l)V

Преобразуя последнее равенство .)- .

и

вь,к(р) Z. (-1Ги,, (р);

и,

5 I

(р)

Z (-1/

Т ЧрТ+) -

с Чрт+1)-

и,

пользуясь формулой бинома Ньютона,

- + с;(рт) +

(рт+1) с;(рт)

+ ... + 1 Г слрт)

1- СК (рТ) получаем

«-1

0

и

вых

Р ТЧрТ+ К

+ а

rt-i

(рТ)- +...+а,.

где коэффициенты а .j , j 0,1,2, п соответственно равны

af, 1 ; a.j О при j 1-п. Следовательно,, выходное напряжение устройства

UB, (р)

и

gtix

(р)

(

р

- - Uj.rt (р) - р

ZC,+n

(р)

равно, в идеальном случае, п-й производной от напряжения на выходе q+n- звенной КС-цепи.

В реальном случае необходимо учитывать нагрузочное влияние входных сопротивлений последующих звеньев на предьщу1дие и блоков, подключенных к вькодам q+m-x звеньев (т 0,1,2,..., п).

Выбор дополнительного количества звеньев q определяется тем, что с воз возрастанием q, с одной стороны, по- вьшается помехоустойчивость и точ- ность устройства, с другой стороны, сужается его полоса пропускания, что ведет к увеличению методической ошибки.

При выборе постоянной времени Т звеньев следует иметь в виду, что при ненулевых начальных условиях (ненулевых напряжениях на конденсаторах звеньев) точность значения производной профильтрованного сигнала форми- руется по окончании переходного процесса разряда конденсаторов. Снижению длительности переходных процессов способствует выбор малой постоянной времени Т, что также приводит к рас- ширению полосы пропускания устройства и снижению его методической ошибки. Однако чрезмерное расширение полосы за пределы граничной частоты помехи уменьшает помехоустойчивость.

Повьшгение помехоустойчивости и точности устройства обусловлено тем, что в предлагаемом решении реализован косвенный метод определения производных; п-я производная q+n-кратно- профильтрованного сигнала получается не в результате прямого п-кратного дифференцирования напряжения профильтрованного сигнала, что привело бы к увеличению уровня высокочастотных помех, каким бы малым он ни был после фильтрации, а в результате простого алгебраического сложения q+m-крат- но профильтрованных и промасштаби- рованных напряжений (т О,1,2,..., п). Дополнительное повьш1ение помехо- устойчивости и точности дает пассивная RC-цепь, подавляющая высокочастотную помеху с крутизной -20 (q+

+п) дБ/дек. ,

Составитель

Редактор Т. Парфенова Техред Л.Олийнык

Заказ 2422/42Тираж 863Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Г оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Одновременное использование пассивной RC-цепи в двух назначениях: для фильтрации сигнала и получения производной профильтрованного сигнала - способствует экономии элементной базы устройства. Кроме того, отсутствие в схеме предлагаемого устройства контура с глубокой отрицательной обратной связью избавляет от необходимости решения задачи обеспечения устойчивости устройства, что упрощает техническую реализацию устройства, его настройку и эксплуатацию.

Формула изобретения

Дифференцирующее устройство, содержащее первую -группу из п последовательно соединенных интегрирующих цепей, алгебраический сумматор, операционные усилители, отличающееся тем, что, с целью упрощения и повьшгения точности устройства путем расширения динамического диапазона изменения напряжения входного сигнала, оно содержит вторую группу из q последовательно соединенных интегрируюшд х цепей, где q О,1,2,...,п+1 повторителей напряжения, п+1 корректирующих цепей, п+1 масштабных усилителей, причем вход второй группы интeгpиpy oш Ix цепей подключен к входу устройства, выход второй группы интегрирующих цепей подключен к входу первой группы интегрирующих цепей и через последовательно соединенные повторитель напряжения, корректирующую цепь и масштабный усилитель к неинвертируюшлм входам алгебраического сумматора, выход каждой т-й цепи первой группы интегрирующих цепей через соответствующие т-ые последовательно соединенные повторители напряжения, корректирующие цепи и масштабные усилители подключены к инвертирующим входам алгебраического сумматора при нечетных тик неинвертирующим входа при четных т, где m 1,п. Лащев

Корректор М. Демчик