Устройство для определения экстремумов Советский патент 1992 года по МПК G05B13/02 

/2

1х

СО

Сущность изобретения: устройство содержит дифференцирующий блок (1), нуль-орган (2), блок формирования компенсирующего напряжения (3), блок выделения модуля (4), реверсивный счетчик (5), три компаратора (6,9,10), элемент ИЛИ (7), ключ (8), триггер (11). 2-9-5-3-2, 1-4-6-8, 2-10-5, 9-7-8, 10-7-8,2-8,9-11, 10-11. 1 ил.

VI

о ел

00

о

Јь

ю

Изобретение относится к гибридной вычислительной технике и может быть использовано для измерения экстремальных значений аналоговых сигналов с последующим вводом их в цифровую вычислительную машину для анализа амплитудных и временных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности является цифровой указатель экстремумов, содержащий нуль-орган, ревер- сивный счетчик, блок формирования компенсирующего напряжения, первый и второй компараторы, элемент ИЛИ, ключ и триггер, фиксирующий временные положения экстремумов по сигналам с компарато- ров, сравнивающих опорное значение напряжения с выходом нуль-органа, на входе которого имеет место сигнал рассогласо- вания между входным сигналом и напряжением компенсации.

Недостатком этого устройства является его чувствительность к высокочастотным и импульсным помехам, приводящая к фиксации ложных экстремумов (а.с. Ns 807206), кл. G 05 В 13/02, 1981).

Целью изобретения является повышение точности за счет устранения влияния импульсных помех.

Цель достигается тем, что цифровой указатель экстремумов, содержащий нуль- орган, блок формирования компенсирующего напряжения, реверсивный счетчик, элемент ИЛИ, ключ, первый и второй компараторы и триггер, выход которого является выходом устройства, причем первый вход триггера соединен с выходом первого компаратора, первым входом реверсивного счетчика и первым входом элемента ИЛИ, а второй вход триггера соединен с выходом второго компаратора, вторым входом ре- версивного счетчика и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому управляющему входу ключа, вход которого соединен с нулевым потенциалом, а выход подключен к первым входам перво- го и второго компараторов и выходу нуль- органа, первый вход которого является входом устройства, а второй соединен с выходом блока формирования компенсирующего напряжения, вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, причём на вторые входы первого и второго компараторов подаются соответственно положительное и отрицательное опорные напряжения, дополнительно содержит блок дифферен- цирования, вход которого соединен со входом устройства, блок выделения абсолютной величины, вход которого соединен с выходом блока дифференцирования, и третий компаратор, первый вход которого

подключен к выходу блока выделения абсолютной величины, на второй вход подается опорное напряжение, а выход третьего компаратора соединен со вторым управляющим входом ключа.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения экстремумов содержит дифференцирующий блок 1, нуль-орган 2, блок формирования компенсирующего напряжения 3, блок выделения модуля 4, реверсивный счетчик 5, третий компаратор б, элемент ИЛИ 7, ключ 8, первый 9 и второй 10 компараторы, триггер 11. вход 12 устройства, шину 13 Опорное напряжение Uom первого компаратора, шину 14 Опорное напряжение -Uorra второго компаратора, вход 15 Опорное напряжение Uom третьего компаратора, выход 16 устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ключ 8 разомкнут, а на выходах первого 9, второго 10 и третьего 6 компараторов напряжение логического О, обеспечиваемое опорными напряжениями Uoni, -Uori2, Uons. При подаче на вход 12 медленно изменяющегося напряжения устройство работает аналогично цифровому указателю экстремумов - прототипу. Так, уменьшение входного напряжения вызывает отрицательный сигнал рассогласования между входами нуль-органа 7 Up2(Uex-Uic), который при превышении опорного напряжения -Uon2(-UP2 -Uon2) вызовет срабатывание второго компаратора 10, что, в свою очередь, приводит к появлению на втором (реверсивном) входе счетчика 5 положительной ступеньки напряжения, изменяющей его состояние на -1. Блок формирования компенсирующего напряжения 3 отработает изменение выходного кода реверсивного счетчика 5 уменьшением компенсирующего напряжения на величину шага квантования AUK. В результате UP2 уменьшится и второй компаратор 10 возвратится в первоначальное состояние. Далее в случае уменьшения входного напряжения Сопроцесс повторяется до момента достижения минимума UBX (такты 1-5 на фиг. 2). При последующем увеличении входного напряжения на выходе нуль-органа 7 появится положительный сигнал рассогласования UPI(UBX-UK), который при превышении опорного напряжения Uom (Upi Uom) вызовет срабатывание первого компаратора 9, что приведет к появлению на первом (прямом) счетном входе счетчика 5 ступеньки положительного напряжения, изменяющей его состояние на 1. Соответственно выходное напряжение блока 3 увеличится на Дик, и первый компаратор 9 возвратится в первоначальное состояние. Процесс повторяется до момента достижения максимума UBX (такты 6-13 на фиг. 2).

При подаче на вход устройства 12 напряжения, скорость изменения которого превышает максимальное допустимое значение (например, когда присутствуют импульсные помехи), происходит следующее. Входное напряжение дифференцируется блоком 1, на выходе которого формируется сШвх

напряжение Ug

dt

-. блок выделения абсолютной величины 4 выделяет модуль напряжения lUgl, которое сравнивается на третьем компараторе 6 с опорным напряжением входа 15 Uons, соответствующем максимально допустимой скорости нарастания сигнала. Если сигнал lUgl Uorra, то компаратор 6 выработает положительную ступеньку напряжения, которая поступит на второй управляющий вход ключа 8 и вызовет срабатывание ключа на выход нуль-органа 2, подав тем самым нулевой потенциал на первые входы первого 9 и второго 10 компараторов. Выходное напряжение блока формирования компенсирующего напряжения 3 при этом окажется зафиксированным до того момента, пока Ug не станет меньше Uon.3 (lUgl Uons), после чего первый компаратор 6 вернется в исходное состояние и ключ 8 разомкнется.

Спектральный состав импульсной помехи существенно отличается от спектра полезного сигнала: нижняя граница частотного диапазона помехи шли много больше верхней границы спектра полезного сигнала УСВ

сапн УСВ(1)

Производная зашумленного сигнала обращается в нуль при прохождении экстремумов импульсной помехой, Условие (1) позволяет выбрать достаточно большим значение модуля коэффициента передачи дифференциатора, что обеспечивает формирование на выходе блока 1 импульсов практически прямоугольной формы. Чтобы исключить ложные срабатывания третьего компаратора б и ключа 8 в случае, когда их быстродействие достаточно велико, следует включить в состав компаратора 6 низкочастотный фильтр. В простейшем случае это может быть RC-цепь первого порядка. Проведем оценки постоянной времени RC- фильтра, допуская, что входное напряжение

UBx(t)Uc(t)+Un(t),

(2)

где Uc(t) - напряжение полезного сигнала; Un(t) - напряжение помехи. Пусть WCB, а амплитуда напряжения низшей гармоники помехи составля- ет 10% от амплитуды напряжения высшей гармоники сигнала. Напряжение верхней гармоники сигнала

Ui(t)Uimcos(2 (осв+ рс),(3)

напряжение низшей гармоники помехи U2(t)U2mcos(2 рп),(4)

,1Ulm.

Удвоение частоты обусловлено выделением абсолютной величины напряжения с выхода дифференциатора 1. Принимая постоянную

времени RC-фильтра Ж

ЮПН

получим значение модуля коэффициента передачи для верхней гармоники сигнала

V1+()2j

(2шпн)2

для низшей гармоники помехи

(5)

V1+()2- (2шпн)2 1

(6)

Тогда на выходе RC-фильтра наибольшее значение напряжения сигнала

40

иЗглах WCBUlm,

(7)

для помехи

45

LUmax .Lhn

(8)

Таким образом, в условиях помехи на выходе фильтра компаратора 6 действует

напряжение, более чем в 2 раза превышающее напряжение в отсутствие помех. Наличие сглаживающего фильтра предотвращает спад напряжения на входе компаратора 6, обусловленный действием помехи,

Д° нуля, и исключает ложные срабатывания третьего компаратора 6. При реализации устройства достаточно включить конденсатор на входе третьего компаратора 6.

В случае, если скорость изменения входного напряжения окажется меньше

предельно допустимого значения, но больше, чем величина A UK, устройство работает аналогично прототипу. Например, в начальный момент времени счетчик находится в нулевом состоянии, а на вход устройства 12 подано напряжение, превышающее несколько А11к. Тогда после каждого срабатывания первого компаратора 9 положительные потенциалы через схему ИЛИ 7 будут поступать на первый управляющий вход ключа 8, закорачивая выход нуль-органа 2 на землю и тем самым возвращая компаратор 9 в исходное состояние. Процесс будет повторяться до тех пор, пока сигнал рассогласования Upi не станет меньше Uom.

Для регистрации моментов появления экстремумов используется триггер 11, входы которого подсоединены к выходам второго 10 и первого 9 компараторов.

Блоки дифференцирования 1 и выделе- ния абсолютной величины 4 могут быть построены по известным типовым схемам, например, с использованием операционных усилителей. В качестве блока формирования компенсирующего напряжения может использоваться стандартный цифроаналоговый преобразователь, например 572 ПА2.

Таким образом, повышение точности определения экстремальных значений определяется защитой устройства от паразитных импульсных помех на входе 12 устройства, вызванных различными наводками.

Технико-экономический эффект от использования устройства для определения экстремумов обусловлен повышением качества обработки исследуемых сигналов.

Формула изобретения Устройство для определения экстремумов по авт. св. № 807206, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет устранения влияния импульсных помех, в него введены дифференцирующий блок, блок выделения модуля и третий компаратор, соединенные последовательно, причем вход дифференцирующего блока соединен с входом устройства, выход третьего компаратора соединен с вторым управляющим входом ключа, а другой вход третьего компаратора - с шиной опорного напряжения.