Устройство для определения момента наступления экстремума электрического сигнала Советский патент 1993 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области определения момента наступления экстремальных значений электрического сигнала. Может использоваться также в импульсной технике, в автоматическом управлении.электротехнике и других областях.

Цель изобретения - повышение точности определения момента наступления экстремума электрического сигнала.

Благодаря такому выполнению устройства обеспечивается возможность резкого увеличения коэффициента усиления усилителя, выделения для последующего усиления более близкой к экстремуму зоны около вершины исследуемого сигнала, исключения возможности перевода усилителя в режим нарушения линейности передачи сигнала (режим насыщения), что позволяет при реализации устройства достигнуть повышения точности и достоверности определения момента наступления экстремума электрического сигнала.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства.

Устройство содержит усилитель 1 с переменным коэффициентом усиления, блок 2 определения момента изменения коэффициента усиления, блок 3 фиксации вычитаемого уровня, блок 4 разности, блок 5 дифференцирования, пороговый элемент 6. блок 7 уставки, блок 8 фиксации момента достижения границы линейности, счетчик 9 количества превышений границы линейности усилителя, блок 10 формирования вычитаемого уровня, регистр 11 вычитаемых сигналов, блок 12 блокировки ложного сигнала, блок 13 возврата в исходное положение.

Блок разности 4 снабжен дополнительными входами, количество которых определяется количеством выходов счетчика 9.

О

Вход устройства через последовательно соединенные блок 4 разности, усилитель 1 с переменным коэффициентом усиления, блок 5 дифференцирования, пороговый элемент б и блок 12 блокировки ложных сигналов соединен с выходом всего устройства. Одновременно вход устройства соединен с первым входом блока 3 фиксации вычитаемого уровня, входами блока 2 определения момента изменения коэффициента усиления и блока 13 возврата в исходное состояние, Выход блока 2 определения момента изменения коэффициента усиления соединен со вторым (управляемым) входом усилителя 1 с переменным коэффициентом усиления, со вторым (управляемым) входом блока 3 фиксации вычитаемого уровня, с первым (управляемым) входом блока 10, формирования вычитаемого уровня и третьим входом блока 12 блокировки ложного сигнала. Выход блока 3 фиксации вычитаемого уровня соединен со вторым входом блока А разности, п дополнительных входов которого соединены с соответствующими выходами регистра 11 вычитаемых сигналов, первый вход которого соединен с выходом блока 10 формирования вычитаемого уровня. Информационные входы регистра 11 соединены с соответствующими выходами счетчика 9, а второй вход (вход возврата в исходное положение) регистра 11 соединен с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) счетчика 9, вторым входом (входом возврата) блока 10 формирования вычитаемого уровня и с выходом блока 13 возврата в исходное состояние, Второй вход блока 8 фиксации момента достижения границы линейности соединен с выходом усилителя 1, первый вход блока 8 соединен с выходом блока 7 уставки и третьим входом блока 10 формирования вычитаемого уровня, выход блока 8 соединен с первым (счетным) входом счетчика 9 и вторым входом блока 12 блокировки ложного сигнала.

Блок 8 фиксации момента достижения границы линейности содержит элемент 14 сравнения и пороговый элемент 15, причем первый и второй входы элемента 14 сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами всего блока 8, Выход элемента 14 сравнения через пороговый элемент 15 соединен с выходом всего блока 8.

Блок 10 формирования вычитаемого уровня содержит резистивные делители 16 и 17 напряжения, переключатель 18 и элемент 19 запоминания, например, статический триггер. Первые входы делителей 16 и 17 напряжения соединены с третьим входом блока 10. Вторые входы делителей 16 и 17 напряжения соединены с землей, Выход делителя 16 напряжения соединен с первым информационным входом переключателя 18, второй информационный вход которого соединен с выходом делителя 17 напряжения, Вход управления переключателя соединен с выходом элемента 19 запоминания, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами блока 10 соответственно. Выход переключателя 18 является выходом блока 10.

Регистр 11 вычитаемых сигналов содержит п каналов, каждый из которых состоит из элемента запоминания И аналогового ключа, причем выход элемента запоминания, например, статического триггера, соединен с управляющим входом аналогового ключа. На фиг. 2 изображена функциональная схема регистра 11 вычитаемых сигналов, где в качестве примера представлены

восемь каналов, в которые входят восемь элементов 20 - 27 запоминания и восемь аналоговых ключей 28 - 35. Первые входы элементов 20 - 27 запоминания соединены с соответствующими информационными

входами регистра, а вторые входы объединены и соединены со вторым входом регистра. Информационные входы аналоговых ключей 28.,,35 объединены и соединены с первым входом регистра, а выходы аналоговых ключей 28...35 соединены с соответству- ющими выходами регистра. Выходы элементов 20...27 запоминания соединены с управляющими входами аналоговых ключей 28...35 соответственно.

Блок 12 блокировки ложного сигнала содержит аналоговый ключ 36, одновибратор

37 и элемент ИЛИ 38. Первый вход аналогового ключа 36 соединен с первым входом всего блока 12, второй вход (вход управления) аналогового ключа 36 соединен с выходом одновибратора 37, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 38. Первый и второй входы элемента ИЛИ 38 соединены соответственно со вторыми и третьим

входами блоками 12 блокировки ложного сигнала. Выход аналогового ключа 36 соединен с выходом всего блока 12.

Блок 13 обеспечения возврата в исходное состояние состоит из порогового элемента 39 и конденсатора 40. Вход всего блока 13 через последовательно соединенные пороговый элемент 39 и конденсатор 40 соединен с выходом всего блока 13.

Устройство работает следующим образом.

Когда крутизна переднего фронта входного сигнала больше уровня, задаваемого элементом уставки в блоке 2 определения момента изменения коэффициента усиления, на выходе указанного блока 2 присутствует потенциал низкого уровня - логический нуль. В этом.случае коэффициент усиления усилителя 1 является исходным (меньшим). В тот момент, когда крутизна исследуемого сигнала станет равна или меньше уровня, задаваемого упомянутым элементом уставки, на выходе блока 2 появляется потенциал высокого уровня - логическая единица, который, поступив на второй (управляемый) вход усилителя 1, обеспечивает резкое увеличение коэффициента усиления усилителя 1.

В этом случае крутизна сигнала, поступающего на вход блока 5 дифференцирования, резко увеличивается, и момент наступления экстремума определяется более точно, так как чувствительность порогового элемента б остается той же.

Для обеспечения усиления именно той части исследуемого сигнала, которая при- мыкает к точке экстремума, с помощью блока 3 фиксации уровня вычитаемого сигнала в момент, когда крутизна исследуемого сигнала становится равной уровню, задаваемому упомянутым элементом уставки, по сигналу с выхода блока 2 определения момента изменения коэффициента усиления в блоке 3 фиксации вычитаемого уровня запоминается величина входного сигнала, присутствовавшая в указанный момент времени.Этот зафиксированный с небольшим (технологическим) запаздыванием (по отношению к моменту изменения коэффициента усиления усилителя 1) сигнал вычитается из продолжающего нарастать входного сигна- ла, и на выходе блока 4 разности появляется разность текущего и фиксированного сигналов, которая и поступает на вход усилителя 1. Таким образом, на вход усилителя 1 при увеличении его коэффициента усиления по- ступает уже только вершина исследуемого сигнала, то есть увеличению крутизны подвергается только зона, непосредственно примыкающая к экстремуму.

В связи с тем, что в начальный момент вычитания текущая величина сигнала на первом входе бло ка 4 разности будет лишь незначительно превышать зафиксированную величину этого входного сигнала, поданного на второй вход блока 4 разности (это превышение обусловлено нарастанием входного сигнала за время упомянутой технологической задержки, вызываемой временем замыкания аналогового ключа в блоке 3 фиксации), то может, в принципе, возникнуть ситуация, когда разность этих сигналов на выходе блока 4, усиленная в количество раз, соответствующее уже увеличенному коэффициенту усиления усили-

теля 1, все же станет в первый момент времени меньше того напряжения на выходе усилителя 1, которое имело место до начала вычитания фиксированного напряжения, Это может привести к тому, что в указанный момент времени как бы возникнет ложный перегиб, ложный экстремум, на который отреагирует блок 5 дифференцирования и следующий за ним пороговый элемент 6, что может привести к появлению на выходе устройства ложного сигнала.

Для исключения этого между выходом порогового элемента 6 и выходом всего устройства и введен блок 12 блокировки ложного сигнала. Одновременно с поступлением на второй (управляемый) вход усилителя 1 сигнал с выхода блока 2 поступает и на третий вход блока 12 блокировки ложного сигнала, где он проходит через элемент ИЛИ 38 и поступает на вход одновиб- ратора 37, переведя его в неустойчивое состояние 2. При этом сигнал с выхода одновибратора 37 поступает на вход управления нормально замкнутого аналогового ключа 36, вызывая его размыкание на время пребывания одновибратора 37 в неустойчивом состоянии. Время пребывания одно- вибратора 37 в неустойчивом состоянии выбрано таким, чтобы перекрыть время возможного провала напряжения на выходе усилителя 1 в момент подключения к блоку 4 разности вычитаемого напряжения. По истечении времени пребывания одновибратора 37 в неустойчивом положении он возвращается в устойчивое положение 1 и аналоговый ключ 36 замыкается. Таким образом, исключается возможность появления ложного сигнала на выходе устройства.

Однако, если при априорно выбранном увеличенном коэффициенте усиления амплитуда указанной вершины сигнала на выходе усилителя 1 будет такова, что при усилении ее усилитель 1 выйдет за верхнюю границу своей линейности, что определяется с помощью блока 7 уставки линейности и блока 8 фиксации момента достижения границы линейности, состоящего из элемента 14 сравнения и порогового элемента 15, то на выходе блока 8 появится сигнал, который поступит на первый (счетный) вход счетчика 9 и на второй вход блока 12 блокировки ложных сигналов.

Сигнал, поступивший на второй вход блока 12, пройдет через элемент ИЛИ 38 и переведет одновибратор 37 в неустойчивое состояние, что вызовет размыкания а.чэло гового ключа 36 (аналогично тому. зт, было описано выше для случая поступлении сигнала н третий вход блока 12) на epewv

пребывания одновибратора 37 в неустойчивом состоянии.

Сигнал же, поступивший на первый вход счетчика 9, вызовет появление сигнала на его первом выходе, который поступит на соответствующий ему информационный вход регистра 11 вычитаемых сигналов, то есть на вход соответствующего элемента 20 запоминания, например статического триггера, переведя его в состояние 2, что вызовет замыкание управляемого этим элементом 20 запоминания нормально разомкнутого аналогового ключа 28. В результате замыкания аналогового ключа 28 на выходе этого ключа и, естественно, на первом выходе регистра 11 и, следовательно, на первом дополнительном входе блока 4 разности, появится вычитаемый сигнал, уровень которого равен величине сигнала, подводимого с выхода блока 10 формирования вычитаемого уровня на первый вход регистра 11.

Уровень сигнала, на выходе блока 10 формирования вычитаемого уровня равен напряжению, задаваемому блоком 7 устав- ки, подводимому к третьему входу блока 10, поделенному на величину, равную существующему в данный момент коэффициенту усиления усилителя 1.

Иногда (из технологических соображений - учета возможной нестабильности коэффициентов передачи усилителя 1, разброса параметров делителей 16 и 17 и т.д.) величину, на которую делится напряжение, поступающее из блока 7 уставки, выбирают несколько большей, чем величина указанного коэффициента усиления усилителя 1.

Таким образом, сигнал на выходе блока 4 разности будет уменьшен уже не только на величину, зафиксированную блоком 3 и определенную исходя из крутизны нарастания переднего фронта сигнала, но и на первую дополнительную величину, связанную с превышением усиленной усилителем 1 в первый раз выделенной вершиной верхней границы линейности усилителя 1. Это приведет к тому, что подвергаемая усилению зона еще более приблизится к экстремуму (то есть повторному усилению будет подвергаться меньшая по амплитуде вершина сиг- нала, более близко прилегающая к экстремуму).

Если и эта повторно выделенная вершина, усиленная усилителем 1, также превысит верхнюю границу линейности усилителя 1, то на выходе блока 3 фиксации момента достижения границы линейности повторно появится сигнал, который также поступит на первый (счетный) вход счетчика 9, вызывая

на этот раз появление сигнала уже на его втором выходе, что приведет к поступлению сигнала на соответствующий этому второму выходу счетчика 9 информационный вход

регистра 11 вычитаемых сигналов, переводу элемента 21 запоминания (статического триггера) в положение 2, замыканию управляемого им аналогового ключа 29. В результате на соответствующем выходе

0 регистра 11 и, соответственно, на втором дополнительном входе блока 4 разности появится следующий вычитаемый сигнал, уровень которого равен предыдущему сигналу на первом выходе регистра 11.

5 Таким образом, выделяемая вершина исследуемого сигнала будет уменьшена еще раз и станет зоной, еще более близкой к экстремуму.

Указанный процесс может повторяться

0 (при необходимости, обусловленной амплитудой вершины исследуемого сигнала после вычитания уровня сигнала, поступавшего на блок 4 разности с выхода блока 3 и обусловленного уменьшением крутизны фронта, не5 сколько раз все более и более уменьшая и приближая выделяемую и усиливаемую зону (вершину сигнала) к экстремуму}

Естественно, в каждый начальный момент вычитания в блоке 4 разности на не0 большое заданное время блокируется выход устройства с помощью блока 12 блокировки ложного сигнала.

Если после очередного уменьшения (вычитания) сигнала в блоке 4 разности будет

5 достигнут экстремум сигнала на выходе усилителя 1 без достижения и превышения верхней границы линейности, то этот момент будет зафиксирован блоком 5 дифференцирования и пороговым элементом 6, который

0 выдаст на выход сигнал устройства о наступлении момента достижения экстремума.

После исчезновения сигнала на выходе всего устройства сигнал на входе блока 13

5 обеспечения возврата в исходное состояние (и, следовательно, на входе порогового элемента 39) упадет ниже заданного уровня, определяемого порогом чувствительности порогового элемента 39, на выходе порого0 вого элемента 39 возникает потенциал высокого уровня, и этот положительный перепад пройдет через конденсатор 40 на выход блока 13, откуда он поступит на входы возврата в исходное состояние счетчика 9,

5 блока 10 формирования вычитаемого уровня и регистра 11 вычитаемых сигналов, переводя их в исходное состояние.

Уровень сигнала с выхода блока 10 формирования вычитаемого уровня определяется тем, выход какого из резистивных

делителей напряжения - делителя 16 или 17 - через переключатель 18 подключен к выходу блока 10. Напряжение на выходы этих делителей подается с выхода блока 7 устав- ки, а управление переключателем 18 происходите помощью элемента запоминания 19, например, статического триггера. Когда статический триггер 19 находится в исходном положении 1, переключатель 18 обеспечивает соединение с выходом блока 10 выхода резистивного делителя 16 напряжения, коэффициент передачи которого обратно пропорционален меньшему коэффициенту усиления усилителя 1, то есть коэффициент деления равен меньшему коэффициенту усиления усилителя 1.

При появлении сигнала на выходе блока 2 определения момента изменения коэффициента усиления усилителя 1 этот сигнал поступает и на первый вход блока 10 формирования вычитаемого уровня, то есть на пер- вый вход статического триггера 19, переводя его в положение 2, при котором переключатель 18 переходит в состояние - 2, при котором к выходу блока 10 подключается выход резистивного делителя 17 напряжения, коэффициент передачи которого обратно пропорционален величине большего коэффициента усиления усилителя 1, то есть коэффициент деления которого равен большему коэффициенту усиления усилителя 1.

При поступлении сигнала с выхода блока 13 обеспечения возврата в исходное состояние на второй вход блока 10 этот сигнал поступает на второй вход статического триггера 19, возвращая его и, следовательно, переключатель 18 в исходное состояние 1, при котором выход блока 10 соединен с выходом делителя напряжения 16.

Таким образом последовательное выделение зоны вершины исследуемого сигнала, все более близкой к экстремуму, создает ряд преимуществ. Во-первых, обеспечивает усиление и тем самым увеличение крутизны именно полезной зоны сигнала, которую делают минимально возможной, что обеспечи- вает возможность значительного увеличения коэффициента усиления усилителя и таким образом достижения максимально допустимой крутизны.

Во-вторых, последовательная минимизация усиливаемой в дальнейшем зоны исследуемого сигнала, прилегающей к экстремуму, обеспечивает исключение перехода верхней границы линейности усилителя, что исключает переход усилителя в режим насыщения и увеличение из-за этого погрешности определения момента наступления экстремума.

В связи с тем, что чувствительность блока 5 дифференцирования порогового элемента 6 остается той же самой, точность определения момента наступления экстре- 5 мума электрического сигнала намного уве-. личивается.

Формула изобретения 1. Устройство для определения момента наступления экстремума электрического

0 сигнала, содержащее последовательно соединенные блок разности, усилитель с переменным коэффициентом усиления, блок дифференцирования, пороговый элемент и блок блокировки ложного сигнала, блок фик5 сации вычитаемого уровня, блок определения момента изменения коэффициента усиления, блок фиксации момента достижения границы линейности, блок формирования вычитаемого уровня, блок уставки, блок

0 возврата в исходное состояние, причем первый вход блока разности соединен с входом устройства, входом блока определения момента изменения коэффициента усиления, входом блока возврата в исходное состоя5 ние и первым входом блока фиксации вычитаемого уровня, выход которого соединен с вторым входом блока разности, выход блока блокировки ложного сигнала соединен с выходом устройства, второй вход соединен с

0 выходом блока фиксации момента достижения границы линейности, третий вход - с вторым входом усилителя с переменным коэффициентом усиления, с выходом блока определения момента изменения коэффи5 циента усиления, вторым входом блока фиксации вычитаемого уровня и первым входом блока формирования вычитаемого уровня, второй вход которого соединен с выходом блока возврата в исходное состояние, а тре0 тий вход - с выходом блока уставки и первым входом блока фиксации момента достижения границы линейности, второй вход которого соединен с выходом усилителя с переменным коэффициентом усиления,

5 причем блок фиксации момента достижения границы линейности содержит последовательно соединенные элемент сравнения и пороговый элемент, выход которого соединен с выходом блока, первый вход блока

0 соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с вто- рым входом блока, блок блокировки ложного сигнала содержит элемент ИЛИ, выход которого через одновибратор соеди5 нен с входом управления аналогового ключа, информационный вход которого соединен с первым входом блока, а выход - с выходом блока, первый вход элемента ИЛИ соединен с вторым входом блока, третий вход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, блок формирования вычитаемого уровня содержит два резистив- ных делителя напряжения с разными коэффициентами деления, переключатель и элемент запоминания, причем входы рези- стивных делителей напряжения соединены с третьим входом блока, а выходы подключены к соответствующим информационным входам переключателя, выход которого подключен к выходу блока, а вход управления соединен с выходом элемента запоминания, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами блока, блок возврата в исходное состояние содержит последовательно соединенные пороговый элемент и конденсатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно введены счетчик и регистр вычитаемых сигналов, а блок разности снабжен п дополнительными входами, причем первый вход счетчика соединен с выходом блока фиксации момента достижения границы линейности, первый вход регистра вычитаемых сигналов соеди

5

0

нен с выходом блока формирования вычитаемого уровня, вторые входы счетчика и регистра вычитаемых сигналов - с выходом блока возврата в исходное состояние, выходы счетчика соединены соответственно с информационными входами регистра вычитаемых сигналов, выходы которого соединены с соответствующими п дополнительными входами блока разности.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что регистр вычитаемых сигналов содержит п каналов, каждый из которых состоит из элемента запоминания, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, причем первые входы элементов запоминания соединены с соответствующими информационными входами регистра, а вторые входы объединены и соединены с вторым входом регистра, информационные входы аналоговых ключей объединены и соединены с первым входом регистра, а выходы аналоговых ключей - с соответствующими выходами регистра.

I

I

4

ч

I М ft w

f$l ч

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к области определения момента наступления экстремальных значений электрического сигнала. Сущность изобретения: устройство содержит усилитель с переменным коэффициентом усиления, блок определения момента изменения коэффициента усиления, блок фиксации вычитаемого уровня, блок разности, блок дифференцирования, пороговый элемент, блок уставки, блок фиксации момента достижения границы линейности, счетчик количества превышений границы линейности усилителя, блок формирования вычитаемого уровня, регистр вычитаемых сигналов, блок блокировки ложного сигнала, блок возврата в исходное положение. 1 з.п. ф-лы, 2 ил,