Многоустойчивый элемент Советский патент 1978 года по МПК H03K3/29 

1

Изобретение относится к o6nacTvi автоматики, и вычнспитепьной техники и касается многоустойчивых элементов, предназначенных для использования в системах автоматического контроля, индикации и распознава1ИЯ образов.

Известен многоустойчивый элемент, содержащий избирательный усилитель, фазовый детектор, фипьтр нижних частот, оптрон и преобразоватепь сопротивления в фазу, соединенные последовательно. Указанная схема позвопяет получить дискретные уровни выходного постоянного напряжения, дискретную фаву выходной импульсной последовательности Н дискретные уровни яркости свечения источника света оптрона в зависимости от угтравлшощей величины IJ.

Однако эта схема имеет тот недостаток, что установиение любого из N положений равновесия многоустойчивого элемента происходит лишь за три - пять периодов опорной частоты f , что понижает быстродействие многоустойчивого элемента. Кроме того, все положения равновесия обладаюг различным запасом устойчивости, что так- . же является недостатком, так как при большом количестве таких состояний (N оО) в ряде случаев наблюдается самопроизвопьный переход эпемента с правильного на неправильные - более высокие или низкие состояния равновесия, что понижает надежност, работы известного эпемента.

Цепь изобретения - увепичение надежности работы-элемента - достигается тем, что в многоустойчивый элемент, содержащий пиковый детектор и последовательно соединенные согласующий каскад, источник света оптрона, оптически соединенный с фотоприемником оптрона, соединенным через линей1Ш1й преобразователь сопротивление напряжение с первым входом порогового устройства, второй вход которого соединен с опорным входом устройства, введены триггер с раздельным запуском и линейное зарядное устройство, причем единичный вход триггера соединен с выходом порогового устройства, а выход его - с управляюи;им входом пикового детектора, сигнальный вход fiHKOBoi o детектора соединен с опорным входом устройства, нупевой вход триггера соеди 1ен с тактовым входом устройс;тва, выход пикового детектора соединен со входом линейного зарядного устрой-. с:тва, выход которого соединен со входом согпасуюшего каскада. Ис1 фиг 1 показана структурная схема многрустойчнвого элемента; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу. /Мпогоустойчнвый элемент включает в себя пиковый детектор 1, согласуюший каскад 2, источник 3 света оптрона, фотоприемник 4 оптрона, линейный преобразователь 5 сопротивление-напряжение, порогово устройство 6, триггер 7, линейное зарядное устройство 8. Схема многоустойчивого элемента работает следующим образом. На один 113 входов порогового устройств 6 поступает опорное пилообразное напряжение частоты f , на второй вход порогового устройства подается уровень постоянного напряжения с линейного преобразователя 5 Ьеличина постоянного напряжения на преобразоватепе 5 зависит от яркости свечения источника света оптрона 3, и характеристики выход-вход фотоприемника оптрона 4. Импульсы с выхода блока 6 поступают на вход установки единицы триггера 7. На вход установки нуля этого же триггера подается опорное прямоугольное напряжение частоты Tj.. Частоты и Hf условно когерентны. Выходное напряи ение триггера 7 поступает на управляющийвход пикового детектора 1, разрещая или запрещая поступление на конденсатор детектора 1 опорного пилообразного напряжения частоты . К выходу пикового детектора подключено зарядное устройство 8, производящее линей ный заряд емкости. Выходное напряжение детектора 1 через каскад 2, служащий для согласования по мощности, детектора 1 и источника 3, поступает на-источник 3 света оптрона. Выходное напряжение J преобразоватепя 5 поступает на второй вход устройства 6, где сравнивается с пилообразным напряжением частоты. На входе устройства 6 появляется импульс Ug в тех случаях, когда становится, равным текущему значению пилообразного напряжения. Передний фронт импульса Xlg устанавливает триггер 7 в единичное состояние. На время существования напряженияИ конденсатор детектора 1 оказывается подключенным к источнику пилооб разного напряжения. В резупьтате. этого ко денсатор С линейно разряжается с.помощью пилообразного напряжения до тех пор, пока следующий импульс частоты Nf не перебросит триггер 7 в нулевое сосюяине, 6nai oдаря HeN-fy ключ детектора 1 разомкнется и тем самым прекратится подачр. пилообразноге напряжения на конденсатор. С помощью зарядного устройства 8 (генератора тока) конденсатор детектора будет линейно заряжаться до следующего момента равенства с текушим значением пилообразного напряжения частоты f . При наличии внещнего воздействия, приводящего к изменению- освещенности фотоприемника или $фкости свечения источника света оптрона, в пределах номинального значения для данного многоустойчивого элемента и превышающего величину, соответствующую единице дискретности (устойчивому состоянию) элемента, данный многоустойчивый элемент пройдет на соответствующее устойчивое состояние. Это вызвано тем, что при изменении освещения фотоприемника меняется (j3 данном случае линейно) его сопротивление, что приведет к линейному .же изменению сдвига фазы выходных напряжений по- рогового устройства 6 и триггера 7 относительно момента конца пилообразного напряжения фиг. 2). В результате этого изменится и уровень напряжения на конденсаторе детектора 1, что приведет в свою очередь, к линейному измененшо силы света источника 3 и, следовательно, к линейному изменению выходного напряжения Uf преобразователя 5. Выщеописанные процессы будут повторяться при вхождении элемента в новое устойчивое состояние. На фиг, 2 в качестве примера показано положение выходныхг импупгсов устройства 6 и триггеру 7 относитецьйо момента конца пилы для нуяёвого, третьего и щестого (последнего) устойчивых состояний (соответственно Уб-о Ц-о.б-з.т4 . в-в U,.6. Указанным устойчивым состоянием соответ ствует сдвиг фазы Рц , V fgсоответствующих импульсов относительно конца пило- образного напряжения. Для того, чтобы обеспечить равный запас устойчивости для всех равновесных состояний, зарядное устройство 8 выполнено в виде генератора тока, благодаря чему напряжение на конденсаторе пикового детектора 1 возрастает по линейному закону. UeCt)U,.CO)-Hkt, (1) Uc СО) - некоторое напряжение на кондейсаторе 8 в момент, соотретствующий началу пилообразного напряжения, оно не должно превыщать n,i ток, вырабатываемый генера тором тока. Параметры линейного зарядного устройства (коэффициент k) выбраны таким образом, чтобы за период частоты f напряжение на конденсаторе не увеличилось бо лее, чем на величину, соответствуюи.ую половине единицы дискретности. Для нормал ной работы предлагаемого ОМУЭ необходимо, чтобы общий коэффициент передачи детектора 1, каскада 2, источника 3, фотоприемника 4, преобразователя 5 был равен единице, благодаря чему поддерживается равенство Ujr U . Приведенное выраже ние справедливо дпя отрезка времени, когда ключ пикового детектора разомкнут. При его замыкании напряжение на конденсаторе равно текущему значению пилообразного напряжения, приложенного к конденсатору. Выходное сопротивление источника пилообра ного напряжения достаточно мало и впияиием зарядного устройства на выходное нап ряжение конденсатора в этом случае можно пренебречь. Предположим, что (О) таково, что равенство достигается в момент времени и(ттИ)-м импульсами частоты К| (,1,2. . ., К- номера импульсов, следующие от момента, соответствующего началу пилообразного нап ряжения). Заметим, что нулевому устойч вому состоянию соответствует N -ый импульс частоты, - му .состоянию - (К-д) -ый импульс, а N-ному устойчиво му состоянию - нулевой импупьс частоты N.. Пороговая схема 6 срабатывает, триггер 7 перебросится в единичное состояние и ключ блока 1 замкнется. К мо.менту появления (п+1) импульса напряжение на (конденсаторе равно Uc(T,) .TiUo. (2) С окончанием +1)-го импульса триггер 7 установится в нулевое состояние. Равенство Ug-iJi нарушится, импульс LTg на выходе пороговой схемы упадет,до нуля, и ключ блока 5 разомкнется. В этом случае. напряжение на конденсаторе блока 1 при t, eS Т изменяется по закону UcC.t)-U -TiUg k(T-TiTo), (5) и к концу периода Т становится равным иДТ) (и„)-к(т-„Т„). (/,) Найдем зависимость ч-тежду Т1 и начальным напряжением Ug (.0 . Напряжение,. на выходе порогового устройства 1 кlжeт появиться не ранее момента равенства напряжения Ug и линейно уб;11ваюшего пилообразного напряжения o peдeпяe OlO по формуле (1). Обозначив через t момент ()авенства ЭТИХ напряжений, получаем (-IT) где Е ()- функция 1аибольшего целого, содержащегося в аргументе (функция Литье). Момент t-( находим из соотнощения UcCo) и„-и„ь. - г -HncikOl 0 где гГтл NUo , Т NT о . Из выражений (4), (З), (в) пог1учпе . -U,. (Т N/тт тт /«N v У с у f , -tN j -чг j-t / (О 1 л . i. i--i -i-i о -«-ИТо (T..,t.j - ЕСХСО)), (7) е X -Нт О1Го Я- безразмерная величина, характеригзукшая напряжение на емкости пиково о детектора} С- безразмериьгй коэффициент, хар;)ктеризующий скорость нарастания иапря)(ония на этой емкости. Выражение (7) является уравнением чечного преобразования величины X( О) велечину К(Т). Это уравнение отражает намику предлахаемогоустройства и позляет находить тшпряженяе на кондоиса1х в дискретные мо%)енты , кр.птныи риоду Т. Вычислим по урпвнению () величину X момент времени t- 2Т x(2T)-i...e(x(t)). 1 Зь (7) приводится Это уравнение с учето виду E(i-(Mo)). С8) N . / . ат1 1Если параметр 9С выбрать из условия Н 1 + 26

и учитывая то, что левая часть неравенства (Э) всегда меньию единицы

(((о)В(Мо. UO)

Сопоставляя выражения (в), (И), (Ю) приходим к соотношению

KdrV i(T) ,

(11) откуда следует, что при i Т наступает стационарный режим и многоустойчивый эпемеит оказывается в одном из N возмо ных состояний равновесия. Таким образом, время установления элемента в соответствующем дискретном состоянии не превышает периода Т т Но мер же этого состояния зайисит от велич ны напряжения UctO).. Неравенство (9) является необходимым условием при выбо ре параметра Х. . Оценим область допустимых изменений начальных условий, при которых многоустойчивый элемент остается в прежнем устойчивом состоянии. Для этого .юложим х(0) Х(Т). Из уравнения (V) имеем ген цт)(х{т}-дд) E(i-.M.),E(,(o))&K Для того, чтобы многоустойчивый элем после вариации начальных условий осталс в прежнем устойчивом состоянии, необходимо и достаточно выполнение следующ го соотношения Е (i - - Е (х(01) лх) Е {х(о)) , условием чего является неравенство .д,,о, из которого получаем ()- U2) Последнее соотношение показывает, что область допустимых- изменений начальных условий не зависит от того, в каком из возможных состояний находится многоусто чивый элемент, то есть все состояние эле мента равноценно с точки зрения устойчивости его работы, ЕСЛИ положительные и отрицательные отклонения величины&Х равновероятны, то

параметр ЗС п.елесообразно выбирать вия

gpnt.H

I

1

опт.

1

откуда

ан-1 При таком выборе параметра Ж область допустимых отклонений начальных условий определяется неравенством , то есть любые изменения начального напряжения на конденсаторе, не превышающие величины luUcl i()« что практически равно половине единицы дискретности, не приводят к изменению состояния элемента, Этим достигается повышение надежности работы миогоустойчиБого элемента. Формула изобретения Многоустойчив 1й элемент, содержащий пиковый детектор и последовательно соединейные согласующий каскад, источник света оптрона, оптически соединенный с фотоприемншсом оптрона, соединенным через линейный преобразователь сопротивление-напряжение с первым входом порогового устройства, второй вход которого соединен с опорным входом устройства, отп и чающийся тем, что, с цепью увеличения надежности работы элемента, в него введены триггер с раздельным запуском и линейное зарядное устройство, причем единичный вход триггера соеди @ ен с выходом порогового устройства, а выход его - с управляющим входом пикового детектора, сигнальный вход пикового детектора соединен с опорным входом устройства, нулевой вход триггера соединен с тактовым входом :устрсийства, выход пикового детектор.а.соединен со входом линейного зарядного уетр1эйк;т1в;э, выход которого соединен со входом согиа6уюц1его каскада, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Авторское свидетельство CGCP № 422079, кл. Н ОЗ К 3/29, 1972.