Устройство для оценки скорости изменения аналогового сигнала Советский патент 1993 года по МПК G06G7/18 G06F15/46 

k

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для определения максимальной скорости изменения аналоговых сигналов различной физической природы. Предложено устройство для оценки скорости изменения аналогового сигнала, содержащее взаимосвязанные элемент сравнения 1, генератор импульсов 2, реверсивный счетчик 3, счетчик порога 4, цифроаналоговый преобразователь 5, счетчик времени 6, три элемента И 7 - 9, регистр 10, узел выборки кода 11 и вычитающий счетчик 12. 3 ил.

00

со

о ел со

00

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для определения в цифровой форме максимальной скорости изменения аналоговых сигналов различной физической природы, в частности, в линейном производстве для оценки максимальной скорости процесса кристаллизации расплава.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, на фиг. 2 показан вариант построения узла выборки кода, а на фиг. 3 - временная диаграмма, поясняющая принцип действия устройства.

Предлагаемое устройство для оценки скорости изменения аналогового сигнала содержит (см. фиг. 1) элемент 1 сравнения, генератор 2 импульсов, реверсивный счетчик 3, счетчик 4 порога, цифро-аналоговый преобразователь 5, счетчик 6 времени, элементы 7 - 9 И, регистр 10, узел 11 выборки кода и вычитающий счетчик 12. При этом первый вход элемента 1 сравнения образует вход устройства, а выходы разрядов регистра образуют информационный выход 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.

Узел 11 выборки кода представляет собой комбинационную схему, имеющую два информационных входа, управляющий вход и информационный выход. В зависимости от уровня сигнала, поступающего на управляющий вход узла 11. на информационный выход этого узла передается либо код поступающий на первый информационный вход узла 11, либо код, поступающий на второй информационный вход узла 11.

На рис. 2 представлен один из возможных вариантов построения схемы узла 11 выборки кода, содержащей три группы 13, 14 и 15 логических элементов 2И-НЕ и элемент 16 НЕ (инвертор). При этом число логических элементов в каждой из групп определяется разрядностью счетчика 6 времени, регистра 10 и вычитающего счетчика 12.

Первые входы логических элементов 2И-НЕ группы 13 образуют первый информационный вход узла 11, первые входы логических элементов 2.И-НЕ группы 14 образуют второй информационный вход узла 11, а выходы логических элементов 2И- НЕ группы 15 образуют информационный выход узла 11. Вход логического элемента 16 НЕ объединен со вторыми входами логических элементов 2И-НЕ группы 14 и образует управляющий вход узла 11. Выход элемента 16 НЕ подключен ко вторым входам логических элементов 2И-НЕ группы 13.

5 Выходы логических элементов 2И-НЕ группы 13 подключены к первым входам логических элементов 2И-НЕ группы 15, а выходы логических элементов 2И-НЕ группы 14 подключены ко вторым входам логических

0 элементов 2И-НЕ группы 15.

В исходном состоянии с помощью кнопки начальной установки (на фиг. 1 не показана) во все разряды регистра 10 и во все разряды вычитающего счетчика 12 кроме

15 знакового заносятся единицы (устанавливаются двоичный код Nmax 1111... 1), а счетчик 6 времени сбрасывается в нуль. При этом сигнал логической единицы с нулевого выхода знакового (старшего) разряда вычита0 ющего счетчика 11 открывает элемент 9 И и через инвертор 16 (фиг. 2) блокирует группу 13 логических элементов 2И-НЕ узла 11 выборки кода.

В процессе работы устройства на пер5 вый вход элемента 1 сравнения (фиг. 1) поступает обрабатываемый аналоговый сигнал X(t). На второй вход элемента сравнения 1 поступает компенсирующий аналоговый сигнал Y(t) обратной связи с выхода

0 цифроаналогового преобразователя 5. Если сигнал X(t) больше сигнала Y(t) (режим Не- докомпенсация), то на первом выходе элемента 1 сравнения образуется сигнал логической единицы, который открывает

5 элемент 7 И. При этом импульсы с первого выхода генератора 2 через открытый элемент 7 поступают на вход сложения реверсивного счетчика 3, Содержимое счетчика 3 увеличивается, что в свою очередь вызывает

0 увеличение компенсирующего аналогового сигнала Y(t) на выходе цифро-аналогового преобразователя 5. Как только сигнал Y(t) станет равен сигналу X(t) с точностью до порога нечувствительности элемента 1

5 сравнения, элемент сравнения 1 закрывает элемент 7 И.

Если же обрабатываемый сигнал X(t) меньше компенсирующего сигнала Y(t) (pe0 жим Перекомпенсация), то на втором выходе элемента 1 сравнения образуется сигнал логической единицы, который открывает элемент 8 И. При этом импульсы с первого выхода генератора 2 поступают через

5 открытый элемент 8 на вход вычитания реверсивного счетчика 3. Содержимое счетчика 3 уменьшается, что вызывает уменьшение компенсирующего сигнала Y(t). Как только сигнал Y(t) станет равным сигна- лу X(t) с точностью до порога нечувствительности элемента 1 сравнения, элемент 8 закрывается.

Тем самым обеспечивается следящее преобразование обрабатываемого сигнала X(t) в цифровую форму, в процессе которого на выходах элементов 7, 8 И образуется реверсивный число-импульсный код - последовательность кодовых импульсов, соответствующих элементарным положительным и отрицательным приращениям обрабатываемого сигнала.

В процессе обработки сигнала X(t) кодовые импульсы с выходов элементов 7 и 8 И поступают также на входы сложения и вычитания счетчика 4. При этом каждый раз в моменты времени tv (v 1, 2, 3,...). когда

число импульсов, поступивших на тот или иной вход счетчика 4, превышает установленный порог ЕО по приращению аналогового сигнала, на выходе переполнения счетчика 4 образуется импульс.

Импульсы переполнения счетчика 4 поступают на вход начальной установки счетчика б времени и сбрасывает последний в нуль.

Импульсы переполнения порогового счетчика 4 поступают также на управляющий вход вычитающего счетчика 11 и через элемент 9 И на управляющий вход регистра 10. В момент поступления импульса на управляющие входы регистра 10 в него по шине параллельной передачи данных заносится содержимое счетчика 6 времени. Аналогично при поступлении каждого импульса на управляющий вход вычитающего счетчика 12 в него по шине параллельной передачи данных заносится код, образуемый на выходе узла 11 выборки кода.

При этом код на выходе узла 11, заносимый в вычитающий счетчик 12, представляет собой либо содержимое счетчика 6 времени, если на управляющий вход узла 11 поступает сигнал логической единицы с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12, либо содержимое регистра 10, если на управляющий вход узла 11 поступает сигнал логического нуля с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12.

Принцип выборки кода с помощью схемы, представленной на фиг, 2, состоит в следующем.

Если на управляющий вход узла 11 поступает сигнал логической единицы с нулевого выхода знакового разряда счетчика 12, то логические элементы 2И-НЕ группы 14 (фиг. 2) окажутся открытыми, а логические элементы 2И-НЕ группы 13 заблокированы сигналом логического нуля на выходе инвертора 16. Поэтому при всевозможных изменениях кода на втором информационном входе узла 11 (изменениях содержимого регистра 10, фиг. 1) на всех выходах логиче- 5 ских элементов 2И-НЕ группы 13 (фиг. 2) будут сохраняться логические единицы, которые не влияют на выходную информацию узла 11. При изменениях же кода на первом информационном входе узла 11 (изменени0. ях содержимого счетчика б времени, фиг. 1), эти изменения после двукратного инвертирования на соответствующих логических элементах группы 14 и 15 (фиг, 2) будут передаваться на выход узла 11 и далее на

5 входы разрядов вычитающего счетчика 12 (фиг. 1).

Если же на управляющий вход узла 11 поступает сигнал логической нуля с нулевого выхода знакового разряда счетчика 12,

0 то логические элементы 2И-НЕ группы 13 окажутся открытыми, а логические элементы 2И-НЕ группы 14 заблокированы. Поэтому в данном случае при всевозможных изменениях кода на первом информацион5 ном входе узла 11 (изменениях содержимого счетчика 6 времени 10, фиг. 1) на всех выходах логических элементов 2И-НЕ группы 14 (фиг. 2) будут сохраняться логические единицы, которые не влияют на выходную

0 информацию узла 11. При изменениях же кода на втором информационном входе узла 11 (изменениях содержимого регистра 10 времени, фиг. 1), эти изменения после двукратного инвертирования на соответствую5 щих логических элементах групп 13 и 15 (фиг. 2) будут передаваться на выход узла 11 и далее на входы разрядов вычитающего счетчика 12, фиг. 1).

На счетный вход счетчика 6 через посто0 янно поступают тактовые импульсы со второго выхода генератора 2. Счетчик 6 работает на сложение и в результате к моменту прихода очередного импульса переполнения на вход начальной установки

5 счетчика 6 в нем будет содержаться код временного интервала

t v-i ft 1.2, 3)

прошедшего от момента предыдущего сброса. При этом в зависимости от скорости из0 менения обрабатываемого сигнала временные интервалы Aty будут различными: при больших скоростях интервалы Д tv будут малыми и, наоборот, при малых

5 скоростях изменения сигнала интервалы Д t v будут большими (см. фиг. 3).

На счетный вход счетчика 12 также постоянно поступают тактовые импульсы со второго выхода генератора 2. Поскольку счетчик 11 работает на вычитание, то в момент времени tv прихода очередного импульса переполнения порогового счетчика 4 на управляющий вход счетчика 11 содержимое этого счетчика будет представлять собой разность между кодом, занесенным с выхода узла 11 выборки кода в предшеству- ющий момент t v-i и очередным временным интервалом At уРассмотрим более подробно принцип действия устройства на примере обработки сигнала, показанного на фиг. 3.

В момент времени to начала обработки сигнала, как указано выше, счетчик 6 времени сбрасываются в нуль, а в регистр 10 и в вычитающий счетчик 12 заносятся коды

Ntnax.

В момент времени ti на выходе переполнение счетчика 4 образуется первый импульс. Содержимое счетчика б времени к этому моменту станет равным величине Ati - ti - to, а содержимое вычитающего с&етчика 12 величине Nmax - Д ti. Поскольку разность Nmax Д ti положительна, то в знаковом разряде вычитающего счетчика со- храняется нуль (логическая единица на нулевом выходе знакового разряда), и значит элемент 9 И в момент времени ti окажется открытым, а логические элементы 2И-НЕ группы 13 узла 11 (фиг. 2) заблокированы.

Поэтому в момент времени ti импульс переполнения порогового счетчика проходит на вход начальной установки счетчика б времени и управляющий вход вычитающего счетчика 12. а также через открытый эле- мент 9 И на управляющий вход регистра 10. При этом сигнал логической единицы на управляющем входе узла 11 выборки кода обеспечивает передачу на информационный выход этого узла содержимого счетчика б времени. В результате в регистр 10 и вычитающий счетчик 12 будет занесен код величины Ati, а счетчик 6 времени будет установлен в нуль.

В момент времени ta (фиг. 3) происходит очередное переполнение счетчика 4. Содержимое счетчика 6 времени к этому моменту станет равным величине t2 m ta - ti, а содержимое вычитающего счетчика -разности Ati - Atz. Поскольку скорость изменения сигнала в интервале между моментами ti и 12 больше, чем скорость изменения сигнала между моментами ti и to (см. фиг. 3), то указанная разность временных интервалов Ati - At2 будет положительной (Ati At2). Следовательно при подсчете этой разности вычитающий счетчик 12 не будет достигать нулевого состояния, и следовательно знаковый разряд этого счетчика к моменту времени tz останется в состоянии нуля (сигнал

логической единицы на нулевом выходе знакового разряда счетчика 12).

В результате в момент времени t2 элемент 9 И окажется открытым сигналом с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12. Поэтому очередной импульс переполнения счетчика 4 проходит на управляющий вход регистра 10, а значит в последнем будет занесен код величины At2. Кроме того, сигнал логической единицы, поступающий на управляющий вход узла 11, обеспечит передачу на информационный выход этого узла содержимого счетчика времени 6.

Следовательно в момент времени ta очередного переполнения счетчика 4 в регистр 10 вычитающий счетчик 12 будет занесен код разности At2, и одновременно счетчик 6 времени будет снова установлен в нуль.

В момент времени ta (фиг. 3) происходит очередное переполнение счетчика 4. Содержимое счетчика 6 времени к этому моменту станет равным величине At3 - t3 - ta. а содержимое вычитающего счетчика - разности At2 - Ata. Поскольку скорость изменения сигнала в интервале между моментами t2 и t3 меньше, чем скорость изменения сигнала между моментами ц и t2 (см. фиг. 3), то указанная разность временных интервалов Atz-Ata будет отрицательной (At2 Ata). Следовательно при подсчете этой разности вычитающий счетчик 12 проходит через нулевое состояние, и следовательно знаковый разряд этого счетчика к моменту времени ta окажется в состоянии единицы (сигнал логического нуля на нулевом выходе знакового разряда счетчика 12).

В результате в момент времени ta элемент 9 И окажется заблокированным сигналом с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12. Поэтому очередной импульс переполнения порогового счетчика 4 не проходит на управляющий вход регистра 10. а значит в последнем будет сохранен код величины ta.

Кроме того, сигнал логического нуля, поступающий на управляющий вход узла 11, обеспечит передачу на информационный выход этого узла содержимого регистра 10. Следовательно в момент времени ta очередного переполнения порогового счетчика 4 в регистре 10 будет сохранен код разности Ata. который через узел 11 выборки заносится в вычитающий счетчик 12, и одновременно счетчик б времени будет снова установлен в нуль.

В интервале между моментами времени ta и и (фиг. 3) скорость изменения сигнала несколько увеличивается. В момент времени t4 происходит очередное переполнение порогового счетчика 4. Содержимое счетчика 6 времени к этому моменту станет равным времени At4 tj - 13, а содержимое вычитающего счетчика - разности At2 - A t4. Поскольку в данном случае, несмотря на некоторое увеличение скорости изменения сигнала, эта скорость все же остается меньше, чем скорость в интервале между моментами времени ц и t2, то это означает, что временной интервал Аи будет больше, чем временной интервал At2 (см. фиг. 3). Поэтому указанная разность A t2 А т.4 временных интервалов, определяемая вычитающим счетчиком 12 будет отрицательной. Следовательно при подсчете этой разности вычитающий счетчик 12 снова проходит через нулевое состояние, и следовательно знаковый разряд этого счетчика к моменту времени t4 окажется в состоянии единицы (сигнал логического нуля на нулевом выходе знакового разряда счетчика 12).

В результате и в момент времени t4 элемент 9 И окажется заблокированным сигналом с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12. Поэтому очередной импульс переполнения счетчика 4 опять не проходит на управляющий вход регистра 10, а значит в последнем будет сохранен код величины At2. Кроме того, сигнал логического нуля, поступающий на управляющий вход узла 11, обеспечит передачу на информационный выход этого узла содержимого регистра 10. Следовательно в момент времени t4 очередного переполнения порогового счетчика 4 в регистре 10 будет сохранен код наименьшего временного интервала At2 который через узел 11 выборки кода заносится в вычитающий счетчик 12, и одновременно счетчик 6 времени будет снова установлен в нуль.

В интервале между моментами времени t4 и ts скорость изменения сигнала по прежнему остается меньше, чем скорость в интервале между моментами времени ti и t2 (см. фиг. 3), а значит временные интервалы Atv между очередными моментами переполнения порогового счетчика 4 будут больше, чем временной интервал Дт.2 12 - ti. Следовательно также, как это описано выше, на всем рассматриваемом участке изменения сигнала в моменты переполнения порогового счетчика элемент 9 И окажется заблокированным, а узел 11 выборки кода будет передавать на входы разрядов вычитающего счетчика 12 содержимое регистра 10 - код временного интервала At2.

К моменту времени ts скорость изменения сигнала становится больше, чем максимальная скорость изменения сигнала в предшествующие моменты времени. Поэтому в момент времени ts переполнения порогового счетчика содержимое счетчика 5 времени Ats будет меньше величины At2, a значит разности At2 - Ats, определяемая вычитающим счетчиком 12, будет положительной. Следовательно при подсчете этой разности вычитающий счетчик 12 не будет

0 проходить через нулевое состояние, и следовательно знаковый разряд этого счетчика к моменту времени ts останется в состоянии нуля. В результате в момент времени ts элемент 9 И будет открыт сигналом логической

5 единицы с нулевого выхода знакового разряда вычитающего счетчика 12. Поэтому очередной импульс переполнения счетчика 4 проходит на управляющий вход регистра 10, а значит в последнем будет занесен код

0 величины Ats.

Кроме того, сигнал логической единицы, поступающий на управляющий вход узла 11, обеспечит передачу на информационный выход этого узла содержимого счетчика б

5 времени. Следовательно в момент времени ts очередного переполнения счетчика 4 в регистр 10 и в вычитающий счетчик 12 будет занесен код разности Ats - минимального временного интервала между последова0 тельными моментами переполнениями порогового счетчика в течение цикла обработки сигнала.

Поскольку на всем участке изменения сигнала между моментами времени ts и te

5 скорость его изменения не превышает максимальной скорости в момент времени ts, то на всем этом участке элемент 9 И будет заблокирован, а значит к моменту времени ts в регистре 10 будет сохраняться код вели0 чины Ats - минимального временного интервала между последовательными моментами переполнениями порогового счетчика в течение цикла обработки сигнала. Следовательно мы показали, что к мо5 менту окончания цикла анализа сигнала в регистре 10 будет содержаться информация о минимальном временном интервале между последовательными моментами переполнения счетчика 4. Поскольку этот счетчик,

0 как указывалось выше, переполняется при заданных приращениях ЕО, то отсюда становится ясно, что обратный код величины, содержащейся в регистре 10 к моменту окончания цикла обработки сигнала, пред5 ставляет собой оценку в цифровой форме максимальной скорости изменения обрабатываемого сигнала.

Предлагаемое устройство имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с

базовым устройством - цифровым анализатором ГДАДУ С, изготовленным опытным производством СКБ математических машин и систем Института кибернетики имени В.МТлушкова АН УССР и внедренном на металлургическом заводе Электросталь г.Электросталь, Московской обл. (информация о базовом устройстве содержится в статье СкурихинаВ.И,, Файнзильберга Л.С. Вычислительные средства для оценки технологических параметров по сигналу датчика кратковременного контакта, - журнал Управляющие системы и машины, 1985, № 4. с. 19 - 24). Эти преимущества состоят в том, что предлагаемое устройство, в отличие от базового, позволяет оценить в цифровой форме максимальную скорость изменения сигнала в течение времени цикла его обработки. При этом процедура обработки сигнала реализуется аппаратным способом на простейших узлах цифровой вычислительной техники, что обеспечивает высокую аппаратурную надежность работы устройства.

Устройство может найти применение в литейном производстве для автоматического определения параметров процесса кристаллизации расплава (максимальной скорости охлаждения), что в конечном итоге обеспечивает возможность оперативно прогнозировать механические свойства отливок.

Применение устройства в медицинской диагностике дает возможность достаточно просто получить информацию о максимальной скорости изменения электрокардиосиг- нала при исследовании процессов гемодинамики.

Предложенное устройство может быть также использовано для решения целевого ряда других аналогичных задач обработки сигнала.

Формула изобретения

Устройство для оценки скорости изменения аналогового сигнала, содержащее

элемент сравнения, первый вход которого является входом устройства, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход связан с вторым входом элемента сравнения, три элемента И, счетчик порога, счетчик времени и генератор импульсов, первый выход которого подключен к первым входам первого и второго элемента И, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам элемента сравнения, а выходы первого и второго элементов И соединены соот- ветственно с входами сложения и

вычитания реверсивного счетчика и счетчика порога, выход переполнения счетчика порога подключен к входу начальной установки счетчика времени, второй выход генератора импульсов связан со счетным

входом счетчика времени, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства и расширения области его применения за счет определения максимальной скорости изменения аналогового сигнала, устройство содержит вычитающий счетчик, узел выборки кода и регистр, выходы разрядов которого подключены к первому информационному входу узла выборки кода, информационный

выход которого подключен к входам разрядов вычитающего счетчика, выход знакового разряда которого подключен к управляющему входу узла выборки кода и к первому входу третьего элемента И, выход

которого подключен к тактовому входу регистра, выход переполнения порогового счетчика подключен к второму входу третьего элемента И и к тактовому входу вычитающего счетчика, счетный вход которого подключен к второму выходу генератора импульсов, а выходы разрядов счетчика времени подключены к информационному входу регистра и второму информационному входу узла выборки кода.

Ю ffftfJM

ФигЗ

Т5

Г6 Г