Устройство для цифровой обработки аналогового сигнала Советский патент 1992 года по МПК G06F15/46 

Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и может быть использовано для определения в цифровой форме параметров установившихся состояний аналогового сигнала, в частности, в черной металлургии и литейном производстве для определения параметров процесса кристаллизации расплава по термическим эффектам кривой охлаждения

Известно устройство для определения установившегося значения аналогового сигнала, содержащее, взаимосвязанные, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, счетчик времени, дискриминатор локальных приращений, делитель частоты и логические элементы И. Это устройство обеспечивает автоматическое определение среднего значения сигнала в установившемся состоянии. Однако полученная информация является недостаточной при решении целого ряда прикладных задач, в частности, задач контроля процесса кристаллизации расплава.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство,

содержащее элемент сравнения, первый вход которого является входом устройства, элементы И и элементы НЕ, генератор импульсов, три реверсивных счетчика, два дешифратора нуля, входы которых подключены к выходам разрядов первого и второго реверсивного счетчиков, цифроаналоговый преобразователь, информационный вход которого подключен к выходам разрядов третьего реверсивного счетчика, а выход - ко второму входу элемента сравнения, выходы которого подключены к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к выходу генератора импульсов, выход первого элемента И подключен ко входам сложения первого и третьего реверсивных счетчиков, выход второго элемента И подключен ко входу сложения второго реверсивного счетчика и входу вычитания третьего реверсивного счетчика, два регистра информационные входы которых подключены к выходам разрядов третьего реверсивного счетчика, выход первого элемента И дополнительно подключен к первым входам

(Л

С

xj О

ю со

третьего и четвертого элементов И, выход второго элемента И дополнительно подключен к первым входам пятого и шестого элементов И, выход пятого элемента И подключен ко входу вычитания первого реверсивного счетчика, выход третьего элемента И подключен ко входу вычитания второго реверсивного счетчика, выход первого дешифратора нуля подключен ко второму входу шестого элемента И и через первый элемент НЕ ко второму входу пятого элемента И, выход второго дешифратора нуля подключен ко второму входу четвертого элемента И и через второй элемент НЕ ко второму входу третьего элемента И, выход четвертого элемента И подключен к управляющему входу первого регистра, а выход шестого элемента И подключен к управляющему входу второго регистра.

Это устройство позволяет аппаратным способом в реальном масштабе времени определить наибольшее и наименьшее значения обрабатываемого сигнала. Отсюда, в частности, следует, что, если на вход устройства подать сигнал от датчика температуры охлаждающегося металла, то с помощью данного устройства можно автоматически определить наибольшую и наименьшую температуры в процессе охлаждения и кристаллизации расплава.

Вместе с тем известно, что более информативными параметрами процесса кристаллизации расплава,в частности, жидкого чугуна, может служить информация о температурном и временном интервалах между моментами фазовых превращений расплава (температурой ликвидуса и солидуса). При этом сами фазовые превращения характеризуются тем, что при температурах ликвидуса и солидуса на кривой охлаждения наблюдаются своеобразные установившиеся режимы (температурные площадки), обусловленные выделением скрытой теплоты кристаллизации.

Однако также устройство не позволяет определить временной интервал между установившимися значениями обрабатываемого сигнала и не обеспечивает возможность автоматического вычисления разности установившихся значений сигнала, что исключает возможность его использования для решения сформулированной выше задачи определения параметров процесса кристаллизации и целого ряда других аналогичных задач обработки сигналов. Указанное обстоятельство сужает область применения устройства-прототипа.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для цифровой обработки аналогового сигнала, содержащее элемент сравнения, первый вход которого является

входом устройства, генератор импульсов, элементы И, элемент НЕ, два реверсивных счетчика, цифроаналоговый преобразователь, информационный вход которого подключен к выходам разрядов первого

0 реверсивного счетчика, а выход подключен ко второму входу элемента сравнения, выходы которого связаны с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены к первому выходу

5 генератора импульсов, выход первого элемента И соединен со входом сложения первого реверсивного счетчика и первым входом третьего элемента И, выход второго элемента И соединен со входом вычитания

0 первого реверсивного счетчика и первым входом четвертого элемента И, соединенного своим выходом со входом вычитания второго реверсивного счетчика, дешифратор нуля, входы которого подключены к выхо5 дам разрядов второго реверсивного счетчика, а выход подключен ко входу элемента НЕ и первому входу пятого элемента И, дополнительно содержит первый и второй суммирующие счетчики, седьмой элемент И,

0 элемент ИЛИ и триггер, установочные входы которого подключены соответственно к выходам пятого и шестого элементов И, а выход соединен со вторыми входами третьего и четвертого элементов И и первым вхо5 дом седьмого элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого суммирующего счетчика, второй выход генератора импульсов подключен к счетному входу второго суммирующего счетчика и ко второ0 му входу седьмого элемента И, выход третьего элемента И подключен ко входу сложения второго реверсивного счетчика, выход элемента НЕ подключен к первому входу шестого элемента И, а выходы перво5 го и второго элементов И через элемент ИЛИ подключены ко входу начальной установки второго суммирующего счетчика, выход переполнения которого связан со вторыми входами пятого и шестого элемен0 тов И. .

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая принцип действия устройства.

5Предлагаемое устройство для цифровой обработки сигнала содержит элемент 1 сравнения, генератор 2 импульсов, первый и второй реверсивный счетчики 3, 4, цифро- аналоговый преобразователь 5, дешифра- тор 6 нуля, первый и второй суммирующие

счетчики 7, 8 триггер 9, элемент 10 НЕ, с первого по седьмой элементы 11-17 И и элемент 18 ИЛИ. При этом первый вход элемента 1 сравнения образует вход устройства, а выходы разрядов реверсивного счетчика 4 и выходы разрядов суммирующего счетчика 7 образуют два информационных выхода устройства.

Генератор 2 импульсов имеет два выхода, на которых образуются две серии сдвинутых во времени тактовых импульсов, что необходимо для исключения сбоев в работе устройства.

Все узлы устройства могут быть реализованы на отечественных интегральных элементах средней степени интеграции. Так, элемент 1 сравнения можно построить на микросхеме К140УД13, генератор 2 импульсов может быть собран на микросхемах К155ЛН1, К155ТМ2 и К155ЛАЗ, реверсивные счетчики 3 и 4 могут быть собраны на микросхемах К155ИЕ7, цифро-аналоговый преобразователь 5 - на микросхеме К572ПА1, а суммирующие счетчики 7 и 8 - на микросхемах К155ИЕ5. Дешифратор 6 нуля представляют собой многовходовой элемент И, входы которого подключены к нулевым выходам разрядов реверсивного счетчика 4. Дешифратор может быть собран, например, на микросхеме К155ЛА2. Триггер 9 разумно строить на микросхеме К155ТМ2, а логические элементы 10-18 на микросхемах К155ЛАЗ.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере обработки сигнала дат- чика температуры охлаждающегося расплава, график которого показан на фиг.2.

В исходном состоянии счетчики 4 и 7 обнуляются, а триггер 9 устанавливается в нулевое состояние. При этом сигнал с нулевого выхода триггера 9 блокирует элементы 13, 14 и 17 И, а сигнал с выхода дешифратора б нуля открывает элемент 15 И.

На первый вход элемента 1 сравнения поступает обрабатываемый аналоговый сигнал X(t), например, сигнал от датчика температуры охлаждающейся пробы жидкого чугуна (фиг.2). На второй вход элемента сравнения 1 поступает компенсирующий аналоговый сигнал Y(t) обратной связи с выхода цифро-аналогового преобразователя 5. Если сигнал X(t) больше сигнала Y(t) (режим Недокомпенсация), то на первом выходе элемента 1 сравнения образуется сигнал логической единицы, который открывает элемент 11 И. При этом импульсы с первого выхода генератора 2 через открытый элемент 11 поступают на вход сложения реверсивного счетчика 3. Содержимое счетчика 3 увеличивается, что в свою очередь вызывает увеличение компенсирующего аналогового сигнала Y(t) на выходе цифроа- налогового преобразователя 5. Как только

сигнал Y(t) станет равен сигналу Х(т) с точностью до порога нечувствительности элемента 1 сравнения, элемент сравнения 1 закрывает элемент 11 И.

Если же обрабатываемый сигнал Х(т)

0 меньше компенсирующего сигнала Y(t) (режим Перекомпенсация), то на втором выходе элемента 1 сравнения образуется сигнал логической единицы, который открывает элемент 12 И. При этом импульсы с

5 первого выхода генератора 2 поступают через открытый элемент 12 на вход вычитания реверсивного счетчика 3. Содержимое счетчика 3 уменьшается, что вызывает уменьшение компенсирующего сигнала Y(t). Как

0 только сигнал Y(t) станет равным сигналу X(t) с точностью до порога чувствительности элемента 1 сравнения, элемент 12 закрывается.

Тем самым обеспечивается следящее

5 преобразование обрабатываемого сигнала X(t) в цифровую форму, в процессе которого на выходах элементов 11, 12 И образуется реверсивный счетчик число-импульсный код - последовательность кодовых импульсов,

0 соответствующих элементарным положительным и отрицательным приращениям обрабатываемого сигнала.

В процессе обработки сигнала X(t) на счетный вход счетчика 8 постоянно поступа5 ют тактовые импульсы со второго выхода генератора 2. Однако в интервале между моментами времени to и ц (см. фиг.2) при элементарных приращениях обрабатываемого сигнала на выходах элементов 11 и 12

0 И образуются кодовые импульсы, которые через элемент 18 ИЛИ постоянно поступают на вход начальной установки суммирующего счетчика 8. В результате на указанном участке обработки сигнала счетчик 8 не ус5 певает переполниться.

В момент времени ti температура металла достигает равновесной температуры ликвидуса Хлик (температуры начали кристаллизации), при которой на кривой изме0 нения сигнала образуется характерная площадка. Поскольку в интервале между моментами времени ti и тз наблюдается установившийся режим, когда изменения сигнала не превышают порог нечувстви5 тельности элемента 1 сравнения, то в течение этого промежутка времени элементы 11 и 12 И будут заблокированы элементом сравнения 1, а значит кодовые импульсы на выходах элементов 11 и 12 И не образуются. В результате сброс в начальное состояние

суммирующего счетчика 8 прекращается и в момент времени t2 ti + TQ , где TO - порог по времени, определяемый разрядностью суммирующего счетчика 8, на выходе переполнения счетчика 8 образуется импульс.

Импульс переполнения счетчика 8 поступает на вход элемента 151/1. Поскольку на другой вход этого элемента поступает разрешающий сигнал логической единицы с выхода дешифратора 6 нуля, то указанный импульс переполнения устанавливает триггер 9 в единичное состояние. При этом разрешающий сигнал с единичного выхода триггера 9 открывает элементы 13, 14 и 17 И.

В интервале между моментами времени хз и t4 происходит дальнейшее изменение сигнала. Поскольку теперь уже элементы 13 и 14 И открыты, то кодовые импульсы с выходов элементов 11 и 12 И поступают на входы сложения и вычитания реверсивного счетчика 4, а значит содержимое этого счетчика в каждый момент времени будет соответствовать изменению сигнала относительно его значения в момент времени t2. Кроме того, поскольку начиная с момента времени ta, элемент 17 И также становится открытым для прохождения тактовых импульсов от генератора 2 на счетный вход суммирующего счетчика 7, то в счетчике 7 образуется код, пропорциональный промежутку времени от момента t2.

Как только содержимое реверсивного счетчика 4 в следствие изменения сигнала становится отличным от нуля дешифратор 6 нуля закрывает элемент 15 И и через элемент 10 НЕ открывает элемент 16 И, подготавливая последний к прохождению импульса на нулевой вход триггера 9.

В момент времени t4 температура металла достигает равновесной температуры солидуса Хсол (температуры окончания кристаллизации), при которой на кривой изменения сигнала снова образуется характерная площадка. Поскольку в интервале между моментами времени t4 и те вновь наблюдается установившийся режим, когда изменения сигнала не превышают порог нечувствительности элемента 1 сравнения, то в течение этого промежутка времени элементы 11 и 12 И опять будут эаклокировава- ны элементом сравнения 1, а значит кодовые импульсы на выходах элементов 11 и 12 И не образуются. В результате сброс в начальное состояние суммирующего счетчика В прекращается и в момент времениХ5 t4 + TO на выходе переполнения счетчика 8 образуется импульс.

Этот импульс через открытый элемент

16И поступает на нулевой вход триггера 9. Триггер возвращается в начальное (нулевое) состояние и сигналом на своем единичном

выходе вновь блокирует элементы 13, 14 и

17И. В результате к моменту времени ts в реверсивном счетчике 4 будет образован код, пропорциональный температурному интервалу кристаллизации(разности температур АХ Хлик - Хсол). а в суммирующем счетчике 7 будет образован код, пропорциональный временному интервалу времени At между моментами времени ti и t4.

Таким образом на примере обработки

кривой охлаждения расплава мы показали, что в результате работы предложенного устройства на его первом информационном выходе (выходе разрядов суммирующего счетчика 7) образуется код, соответствующий интервалу времени между моментами появления установившихся режимов, а на втором информационном выходе устройства (выходе разрядов реверсивного счетчика 4) образуется код, пропорциональный приращению сигнала между установившимися режимами, При этом под установившимся режимом понимается режим, при котором в течение заданной временной уставки отсутствуют приращения сигнала, превышающие зону нечувствительности устройства.

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с базовым устройством - цифровым анализатором ЧУГУН, изготовленным опытным

производством СКВ математических машин и систем Института кибернетики имени В.М.Глушкова АН УССР и внедренном на Московском чугунолитейном заводе Стан- колит. Эти преимущества состоят в том, что

предлагаемое устройство, в отличие от базового, позволяет определять параметры процесса кристаллизации расплава, а именно температурный и временнной интервал кристаллизации. При этом процедура обработки и вычисления реализуется аппаратным способом на простейших узлах цифровой вычислительной техники, что обеспечивает высокую аппаратурную надежность работы устройства в сложных условиях литейного

производства.

Применение устройства в литейном производстве позволяет на основе знания основных информативных параметров про- цесса кристаллизации оперативно осуществить прогнозирование механических свойств отливки чугуна, что в свою очередь обеспечивает экономию расхода материалов для доводки металла.

Кроме того, предложенное устройство может быть использовано для решения целого ряда других аналогичных задач обработки сигнала, в частности, в медицинской диагностике для определения характерных параметров кардиосигналов, пульсограмм и т.п.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для цифровой обработки аналогового сигнала, содержащее элемент сравнения, первый вход которого является входом устройства, второй вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а первый и второй выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с первым выходом генератора импульсов, а выходы - с входами соответственно сложения и вычитания первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, второй реверсивный счетчик, выход которого соединен с входом дешифратора нуля, третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - с входом сложения второго

реверсивного счетчика, четвертый-шестой элементы И и элемент НЕ, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения координат уровней постоянства аналогового сигнала, в него введены два счетчика, триггер, седьмой элемент И и элемент ИЛИ, при этом выход второго элемента И соединен с первыми входами элемента

ИЛИ и четвертого элемента И, выход которого соединен с входом вычитания второго реверсивного счетчика, выходы первого элемента И соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен со

счетным входом первого счетчика, выход переполнения которого соединен с первыми входами пятого и шестого элементов И, выходы которых соединены с единичным и ну- левым входами триггера, выход

дешифратора нуля соединен с вторым входом пятого элемента И и через элемент НЕ - с вторым входом шестого элемента И, выход триггера соединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И и с первым входом седьмого элемента И, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом второго счетчика.

Сущность изобретения, устройство содержит элемент сравнения (1), генератор импульсов (2), реверсивные счетчики (3, 4), цифроаналоговый преобразователь (5), дешифратор нуля (6), счетчики (7,8), триггер (9), элементы НЕ (10), И (11-17) ИЛИ (18), 1-11

-$W

I

MW/C

сол

TO

77 72 75 74- 75 Т6

Фиг. г