Аналого-цифровой интегратор Советский патент 1981 года по МПК G06G7/186 

1

Изобретение относится к автоматике и предназ11ачено для формирования напряжения, пропорционального интегралу от входного сигнала. Оно может использоваться в системах автоматического регулирования различных технологических процессов, а также объектов, имеющих большие постоянные времени.

По основному авт.св. № 507872 известен аналого-цифровой интегратор, содержащий преобразователь напряжение-частота с аналоговым интегратором,реверсивный счетчик импульсов, цифроаналогрвый преобразователь выходной сумматор и контур записи начальных условий и восстановления информации с блоками сравнения, выделения модуля, слежения-хранения и переключателем, подключающим блок слежения-хранения к выходу аналогоцифрового интегратора или к источнику задания начальных условий в зави симости от режима работы интегратора }. :

Однако использование известного аналого-цифрового интегратора в течение значительного времени без обслуживания затруднительно из-за отсутствия в нем цепей контроля испраности интегратора, что может привести к сбою. Отсутствие контроля исправности исключает также возможность автоматического вводя в действие интегратора, находящегося в холодном резерве, что весьма желательно для повышения надежности систем управления.

w Цель изобретения - повышение достоверности результата за счет обеспечения автоматического контроля исправности интегратора. Эта цель достигается тем, что в интегратор введены фильтр, дифференцирующая цепь, последовательно включенные апериодический фильтр, клю и релейный элемент, генератор импульсов, линия задержки, ограничительные резисторы и два элемента И, первые

0 входы которих подключены к соответствующим выходам линии задержки, вторые входы элементов И соединены с генератором импульсов и с входом сброса релейного элемента соответственно, а выходы элементов И подключены к шинам установки счетчика, причем вход ключа соединен через последовательно включенные первый ограничительный резистор и фильтр

0 с входом апериодического фильтра и

выходом блока сравнения и через второй ограничительный резистор - с. выходом блока слежения-хранения, управляющий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходом блока выделения модуля, вход линии задержки подключен к выходу старшего разряда счетчика, а вход релейного элемента через третий ограничительный резистор - к суммирукхцему вхду операционного усилителя.

На фиг,1 представлена схема аналого-цифрового интегратора; на фиг,2 - временные диаграммы его работы в режиме контроля.

Аналого-цифровой интегратор содержит преобразователь 1 напряжение частота, построенный на аналоговоминтеграторе 2 с цепью 3 сброса в нулевое состояние и трехпозиционном компараторе 4,.счетчик 5 с входами 7 и 8 управления реверсом, цифроаналоговый преобразователь 9, выходной сумматор 10 с масштабными резисторами 11 и 12 и управляемым ключем 13 на транзисторе, подключенном через согласующую цепь 14 к импульсному выходу компаратора, двухпозиционный переключатель 15 с входами 16, 17 и управляющим входом 18, блок ,19 слежения-хранения, содержащий усилитель 20,- запоминающий конденсатор 21, истоковый повторитель 22 на полевом транзисторе и переключатель 23 режима работы слежение-хранение, блок 24 сравнения, резистор 25, блок 26 выделения модуля и логический .элемент И-НЕ 27,

К аналого-цифровому интегратору 28, образованному указанными элементами, дополнительно подключены апериодический фильтр 29 на операционном усилителе 30, резисторах 31, 32 и конденсаторе 33, ключ 34, релейный элемент 35, имеющий вход 36 сброса, цепи самоблокировки и сброса в нулевое положение, генератора 37 импульсов, линия 38 задержки и два элемента И 39 и 40, Вход ключа 34 через ограничительные резисторы 41 и 42 соединен соответственно с выходами апериодического фильтра 29 и блока 19 слежения-хранения и через ограничительный резистор 43 и фильтр 44 на конденсаторе 45 и резисторе 46 соединен с входом апериодического фильтра 29 и выходом блока 24 сравнен я. Управляющий вход ключа 34 соединен с выходом блока 26 выделения модуля через дифференцирующую цепь 47, Вход релейного элемента 35 подключен к суммирующей точке усилителя 30 через резисторе 48,

Работа аналого-цифрового интегратора происходит следующим образом, В промежутках между интервалами контроля при наличии входного сигнала Ug преобразователь напряжениечастота генерирует импульсы с частотой, пропорциональной /Ufex/, Пусть , тогда на потенциальных выходах трехпозиционного компаратора 4, соединенных с входами 7 и 8 управления, реверсивного счетчика 5, устанавливаются напряжения, настраивающие счетчик на сложения, импульсов. Кодовые комбинации, возникающие в счетчике, преобразуются цифроансшоговым преобразователем 9 в возрастающее напряжение, поступающее на вход сумматора 10. Возникновение импульсов на счетном входе 6 . реверсивного счетчика 5 происходит в моменты времени, когда напряжение на выходе аналогового интегра.тора

5 2 достигает уровня срабатывания компаратора 4, после чего под действием выходного сигнала KONtnapaxopa осуществляется быстрый сброс (разряд конденсатора) аналогового интегратора 2. В результате компаратор 4 выключается, и процесс заряда конденсатора под действием Utx- повторяется. Поэтому за каждый период работы преобразователя 1 в счетчике

5 5 фиксируется приращение интеграла напряжение Uьи- , т.е. происходит квантование интеграла входного напряжения Ubx. по уровню. Для устранения погрешности квантования в

схеме осуществляется суммирование выходного сигнала цифроаналогового преобразователя 9 с выходным сигналом аналогового интегратора 2 с помощью сумматора 10. Устранение

всплесков напряжения на выходе аналого-цифрового интегратора, возникающих в моменты сброса аналогового интегратора 2 достигается с помощью резисторов Ц, 12 и ключа 13 на транзисторе, база которого

0 через согласующую цепь 14 подключается к импульсному выходу компаратора 4, благодаря чему сумматор 10 отключается от аналогового интегратора 2 во время разряда его емкости,

5 При единичном сигнале Uy переключатель 16 находится в положении, при котором выход аналого-цифрового интегратора подключен к входу блока 19 слежения-хранения. Этот блок

0 при отсутствии сбоя счетчика 5 работает в режиме слежения за выходным напряжением интегратора .. Действительно, в режиме слежения на входах трехпозиционного блока

24 сравнения действуют практически

равные напряжения Ои и иъии, а потому выходные сигналы блока 24 сравнения и блока 26 выделения модуля равны нулю. На выходе логического элемента И-НЕ 27 возникает единичный сигнал, поддерживающий переключатель 23 в замкнутом положении, что соответствует режиму слежения блока 19, Отметим, что в этом случае блок 24 сравнения не влияет на 65 работу преобразователя 1 напряжения-частота, так как ток через резистор 25 равен нулю.

Процесс интегрирования отрицательного напряжения Оьх. протекает так же, как и в случае положительного напряжения Utox, с той лишь разницей, что под действием иь«. О реверсивный счетчик 5 настраивается компаратором 4 на вычитание импульсов, поступающих на его счетный вход 6. В результате напряжение TJtH на выходе интегратора уменьшается.

В процессе работы устройства в режиме интегрирования входного напряжения Ubx f благодаря отсутствию сигнала на выходе блока 24 сравнения , напряжения на выходе апериодического фильтра 29 и на конденсатор 45 фильтра 44 равны нулю. Поэтому на вход ключа 34 поступает только ВЫХОДНОЙ сигнал блока 19 слеженияхранения. Этот сигнал не передается на вход релейного элемента 35, так как ключ 34 закрыт, поскольку напряжение на входе дифференцирующей цепи 27 не изменяется. При отсутствии импульсов генератора 37 на выходах элементов И 39 и 40 действуют нулевые логические сигналы, не влияющие на работу реверсивного счетчика 5.

Рассмотрим теперь .работу интегратора в интервалах контроля. Выходной импульс иэ7 генератора 37 в зависимости от состояния триггера знака в старшем разряде счетчика 5 и соответственно сигналов на выходе линии 38 задержки через элементы И 39 или 40 поступает на одну из шин установки счетчика 5. Если к моменту появления импульса Uj код в счетчике превышал нулевое значени (выходное напряжение интегратора ) (диаграмма А на фиг.2), то по импульсу Ujf код в счетчике принимает минимальное значение (-Nmon) При ( - диаграмма Б на фиг.) импульс генератора проходит через элемент И 40, и счетчик устанавливается в состояние максимгшьного кода (+Ни1вх) нормального функционирования цепей установки счетчика время задержки линии 38 должно превышать длительность импульса и$7 . Одновременно импульс и37 поступает на вход 36 релейного элемента 35, устанавливая его в нулевое положение, при котором сигнал неисправности UCH отсутствует. По окончании импульса генератора 37, удерживающего счетчик 5 в состоянии максимального или минимального кода, интегратор переходит в режим восстановления информации. Под действием разности сигналов на выходах сумматора 10 и блока 19 слежения-хранения блок 24 сравнения формирует напряжение, которое через выявитель 26 модуля и логический элемент И-НЕ 27 переводит переключатель 23 в разомкнутое состояние. При этом блок 19 слеженияхранения переходит в режим хране.ния, я на его выходе удерживается, выходное напряжение интегратора, предшествующее установке счетчика 5 в положение максимального или минимального кода. При срабатывании блока 24 сравнения происходит замыкание контура отрицательной обратной связи, охватывающей ангшогоцифровой интегратор. При надлёжащ л сопротивления резистора 25 выходное напряжение блока 24 сравнения превалирует над входным сигналом Ubx./и за счет глубокой от- рицательной обратной связи интегратор достаточно быстрр. отрабаллвает напряжение U. В результате в счетчике 5 восстанавливается исходный код, и напряжение на выходе cynwaTopa 10 принимает зиачение, практически равное Un. После этого сигнал на выходе блока 24 сравнения принимает нулевое значение, переключатель 23 устгшавливается в зам5гкнутое положение, . блок 19 слежения-хранения переходит в режим слежения за яыходшяи напряжением сумматора 10, и интегратор продолжает осуществлять интегрирование входного сигнала.

Длительность интервала восстановления информации определяется практически временем, в течение которого выходное напряжение сумма5 .тора 10 изменится на величину (UnJ + (Uw,aA где ((и,здк) - Const - абсолютная величина напряжения, соответствухщая «ексимальному (Nmox) или минимальному (Nm,n) коду. В течение

0 времени восстановления Твосст. конденсатор 45 фильтра 44 заряжается до напряжения U на выходе блока 24 сравнения. Поэтому время восстановления

Un) + (UmQX )

(1),

т мест

(Ui4)

где Tt) - постоянная интегрирования аналого-ци1й ового интегратора по ходу восстановления информации. Постоянная Гь связана с основной постоянной интегрирования г соотношением

ГЬ.ЕД:,Г,

где R - сопротивление на основном

входе интегратора.

Под действием напряжения U

происходит также заряд конденсатора

33 апериодического фильтра 29, и его выходное напряжение изменяется

по закону

29(- UM+UO) d-e)

(2)

31

где Ug - начальное напряжение на 65 конденсаторе 33; R и Rjj. - сопротивление резисторов 31 и 32 fjy постоянная времени фильтра ( Сзз) - емкость конденсатора 33.

Благорадя наличию дифференцирующей цепи 47 выходное напряжение блока 26 выделения модуля не поступает на затвор транзисторного ключа 34, а noTOiviy апериодический фильтр 29, фильтр 44 и блок 19 слежения-хранения отключены от входа релейного элемента 35,

При ДлОстаточно большом коэ.ффициенте усиления операционного усилителя 30 напряжение в его суммируюгцей точке практически равно нулю и не окаэйвает влияния на состояние релейного элемента 35. В результате в процессе восстановления информации релейный элемент 35 остается в нулевом положении.

Если постоянная времени апериодического фильтра 29 Гг удовлетворяет условиям (Т Л7 - период. генератора 37) и Т 29 Т то начальное найряжение U о на конденсаторе 33 равно нулю, и после разложения е - t/tjg в ряд при ьосст получим

„ Т Ьоссг.

W - Кз - Сэ, « f3) Подставляя в (3) значение Т ьосст из (1), найдем напряжение на выходе апериодического фильтра в конце времени восстановления

, 1Уд1ах-1±( т.

Uz9(TboccT)- к„.сз7 Если выбрать Кз1Сза Тв , то Ul9 (Тьосст )-(/UmQx/+/Uh/) (4)

Из (4) следует, что в исправном аналого-цифровом интеграторе выходное напряжение апериодического фильтра в конце времени восстановления Т Ьосст равно полному изменению напряжения на выходе интегратора (сумматора 10) за время восстановления информации .

По окончании времени восстановления происходит скачкообразное уменьшение напряжения Uj на выходе блока 26 выделения модуля, в результат чего на затвор полевого транзистора 34 через дифференцирующую цепь 47 поступает отрицательный импульс, открывающий транзистор 34. При этом на входе релейного элемента 35 осуществляется сравнение выходного напряжения апериодического фильтра 29 с напряжениями на конденсаторе 45 и на выходе блока 19 слежения-хранения. Напряжение Uj на входе релейного элемента 35 пропорционально разности

U59-(Uv,+U44) .

Если длительность времени сравнения TCP , в течение которого транзистор 34 открыт, достаточно мала, то за время Тер конденсаторы 44 и

33 не успевают разрядиться-. Следовательно, UjV (TCP ) и,9 (Т ьосст) и (Тер ) и .

Поэтому результирующий сигнал на входе релейного элемента 35 в интервале сравнения практически равен нулю (лежит в зоне нечувствительности релейного элемента + }, и сигнал неисправности UCH отсутствует.

Очевидно, что практически любые неисправности аналого-цифрового интегратора приводят к изменению его постоя нной интегрирования и нарушению равенства Rj- С t,, что в конечном счете вызывает изменение времени восстановления информации. Вследствие этого выходное напряжение апериодического фильтра 29 будет отличаться от значения, определяемого выражением (4). В результате в интервалах сравнения Тер возникает разбаланс напряжений на входах релейного элемента 35, что приводит к его срабатыванию и появлению сигнала неисправности UCH.

Благодаря самоблокировке релейного элемента 35 сигнал неисправности Оси сохраняется до прихода очередного импульса контроля от генератора 37, После этого осуществляется сброс релейного элемента в нулевое состояние и начинается новый цикл контроля, в процессе которого вновь формируется сигнал UCHг если неисправность остается неустраненной.

При случайном сбросе счетчика 5 процесс восстановления информации 5 происходит так же, как и в рассмотренном выше случае. Поскольку время восстановления информации при сбое отличается от значения, определяемого выражением (1), на входе релейного элемента 35 по окончании процесса восстановления (при замыкании ключа 34) возникает разностное напряжение. Под действием этого напряжения формируется сигнал неисправности, который поддерживается на выходе релейного элемента 35 до прихода очередного импульса генератора 37, Однако в отличии от случая неисправности интегратора сигнал UCHпри случайном сбое не будет подтверждаться.

Отметим, что значительная часть отказов аналого-цифрового интегратора приводит к невозможности восстановления информации в счетчике.При этом, после прихода импульса генератора 37, изменяющего состояние счетчика 5, на выходах блоков 24 сравнения и выделения 26 модуля длительное время сохраняются постоянные

60 напряжения, В результате ключ 34 остается в разомкнутом состоянии и апериодический фильтр 29, конденсатор 45 и блок 19 слежения-хранения отключены от релейного элемента. Для

65 выявления указанных отказов служит

связь входа релейного элемента 35 с суммирующей точкой апериодического фильтра 29. Если время действия напряжения U на входе фильтра 29 достаточно велико, то операционный усилитель 30 переходит в состояние насыщения, и в суммирующей точке этого усилителя появляется напряжениеi,превышающее порог срабатывания релейного элемента 35, сигнализирующего отказ.

Таким образом, за счет введенных в схему аналого-цифрового интегратора указанных элементов и связей обеспечивается автоматический контроль исправности интегратора путем периодической установки счетчика в заданное состояние и контроля времени восстановления информации.

Предлагаемая схема позволяет выявлять как постепенные отказы, свя.занные с изменением постоянной интегрирования, так и отказы, приводящие к полной потере работоспособности интегратора.

Формула изобретения

Аналого-цифровой интегратор по авт.св. № 507872, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения достоверности результата за счет обеспечения автоматического контроля исправности устройства, в него введены фильтр, дифференцирующая цепь, последовательно включенные апериодический фильтр, ключ и релейный элемент, генератор импульсов, линия задержки, ограничительные резисторы 5 и два элемента И, первые входы которых подключены к соответствующим выходам линии задержки, вторие входы элементов И соединены с генератором импульсов и с входом сброса ре

0 лейного элемента соответственно, а выходы элементов И подключены к шинам установки счетчика, причем вход ключа соединен через последовательно включенные первый ограничительный резистор и фильтр с входом апериодического фильтра и выходом блока сравнения и через.второй ограничительный резистор с - выходом блока слежения-хранения, управляюQ щий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходом блока выделения модуля, вход линии задержки подключен к выходу старшего разряда счетчика, а вход релейного элемента через третий ограничитель5ный резистор - к суммирующему входу операционного усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

30

1. Авторское свидетельство СССР 507872, кл. G 06 G 7/186, 1973, (прототип).