Мажоритарное устройство Советский патент 1982 года по МПК H03K19/23 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к устройствам, выполняющим мажоритарное преобразование аналоговых сигналов, заданных электрическим напряжением (током) и может быть использовано в резервированных усилителях, а также в измерительных и функциональных преобразователях для выделения средневыборочного значения (выборочной медианы) входных аналоговых сигналов.Известно мажоритарное устройство, имеющее одновременно высокую точност быстродействие, способность сохранят работоспособность при отказе элементов , входящих в их состав Такое устройство содержит три усилителя, к входу каждого из которых подключен первые выходы двух операционных элементов, второй вывод одного из которых подключен к входной шине, а другого - к выходной шине, соединенной с выходами усилителей. 1Три использовании усилителей с высокими коэ(|)фициентом усиления и быстродействием вид комплексного коэ(})фициента передачи всего устройства определяется только типом операционных элементов. Каждый операционный элемент может быть не только двухполюсником (например резистор, конденсатор, диод), но и многополюсником (транзистор, транс())орматор). Такие мажоритарные устройства обеспечивают высокие метрологические характеристики при выполнении линейных и нелинейных операций над входными сигналами, совмещенных с мажоритарным преобразованием 1 . Недостатком известного устройства является узкий диапазон измерения выходного напря хения. Известно мажоритарное устройство, содержащее три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную шину, шесть резисторов, шесть диодов, резистор, нагрузки, три пары последовательно соединенных транзисторов и шесть блоков выбора минимального значения, первые выходы которых соединены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каж дой пары., вход каждого усилителя сое динен с первыми выводами соответству ющей пары операционных элементов, вторые выводы каждой пары операционных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной , которая через резистор нагрузки соединена с второй шиной питания и с эмиттерами вторых транзисторов каждой пары, базы и эми теры транзисторов всех пар соединень через соответствующие резисторы, вто рые выходы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков выбора минимального значения соединены соответственно с анодами первого, второго, третьего, четвертого пятого и шестого диодов, катоды которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой, второй, третьей пары, первых транзисторов первой, второй и третьей пары, выход первого усилителя соединен с первыми входами первого, второго, четвертого и пятого блоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен с вторыми входами второго, четвертого и первыми входами третьего, шестого блоков выбора минимального значения, выход третьего усилителя соединен с вторыми входами первого, третьего,четвертого и шестого блоков выбора минимального значения. в устройстве каждый блок выбора минимального значения содержит два диода и резистор, один вывод которого соединен с первым выходом блока, второй выход которого соединен с вторым выводом резистора и анодами диодов, катоды которых соединены с входами блока. Каждая пара последовательно включенных транзисторов совместно с двумя соответствующими блоками выбора минимального напряжения образует устройство выбора минимального сигнала из двух. Три пары транзисторов совместно с резистором нагрузки образуют устройство выделения максимального сигнала из трех. Комбинация транзисторов с блоками выбора в целом образует устройство выделения выборочной медианы из выходных сигналов усилителей, которые линеаризуют межоритарное устройство а целом. Комбинация транзисторов с резистором нагрузки образует широкополосный каскад по схеме с общим эмиттером, практически не снижающий быстродействие усилителей, при использовании операционных усилителей с внутренней коррекцией, а также высокочастотных транзисторов и диодов обеспечивается.высокое быстродействие устройства без дополнительных корректирующих цепей. В таком устройстве диапазон выходного напряжения приблизительно равен диапазону выходного напряжения усилителей Для повышения верхнего уровня ограничения выходного напряжения необходимо уменьшить сопротивление резисторов в блоках выделения минимального напряжения, что не влияет на нижний уровень ограничения выходного напряжения Г 2). Недостатком устройства является низкая надежность в смысле высокой интенсивности отказов из-за большого количества элементов, входящих в. его состав. Несмотря на то, что устройство защищено от единичного отказа любого его элемента, второй отказ какого-.либо элемента может привести к отказу устройства в целом. При большом числе элементов в мажоритарном устройстве первый и второй отказы элементов происходят чаще. Цель изобретения - повышение надежности мажоритарного устройства. Указанная цель достигается тем, что в мажоритарном устройстве, содержащем три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную шину, шесть первых резисторов, шесть диодов, резистрр нагрузки, второй, третий и четвертый резисторы, три пары последовательно соединенных транзисторов и три блока выбора минимального значения, первые . выходы которых соединены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каждой пары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов, вторые выводы каждой пары операци:онных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена со второй шиной питания и соединена с эмиттерами вторых транзисторов каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединены через соответствующие первые резисторы, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора минимального значения первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с анодами первого, вто рого, третьего , четвертого, пятого и шестого диодов, катоды которых соединены с базами соответственно, вторых транзисторов первой, второй третьей пар, первых транзисторов первой, второй и третьей пар, выходы первого усилителя соединен с первыми входами первого и второго блоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен со вторым входом второго и первым входом третьего блоков выбора минимальных значений, выход третьего усилителя соединен со вторыми входами первого и третьего блоков выбора г+инимальных значений, вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с выходами третьего, первого и второго усилителей. На чертеже приведена электрическая схема мажоритарного устройства Схема содержит усилители 1-3, операционные элементы -9, входные шины 10-12, выходную шину 13, тран зисторы Ц-19, шину 20 питания, ре зисторы 21-26, блоки 27-29 выбора минимального значения, диоды 30-32 резисторы 33-35, диоды 3&-38, резистор 39 нагрузки, шину 40 питания. Входы усилителей 1-3 соединены соответственно с первыми выводами операционных элементов 4, 6 и 8 и соединены соответственно с первыми выводами операционных элементов 5, 7 и 9, вторые выводы операционных элементов и, 6 и 8 соединены соответственно с входными шинами 10, 11 и 12, вторые выводы опе рационных элементов 5, 7 и 9 соедин ны с выходной шиной 18, с эмиттерами транзисторов 15, 17 и 19 и соеди нены через резистор 39 нагрузки с ;шиной 0 питания, коллекторы тран56зисторов 15, 7 и 19 соединены соответственно с эмиттерами транзисторов 1, 16 и 18, коллекторы которых соединены с шиной 20 питания с пер выми выходами блоков 27-29 выбора минимаЛьного значения, вторые выходы которых соединены соответственно с анодами диодов , катоды которых соединены соответственно с базами транзисторов 15, 1 и 19, выход усилителя 1 соединен с первыми входами блоков 1 и 2 и соединен через резистор 3 с анодом диода 37, катод которого соединен с базой транзистора 16, выход усилителя 2 соединен с вторым входом блока 28 и первым входом блока 29 и соединен через резистор 35 с анодом диода 38, катод которого соединен с базой транзистора 18, выход усилителя 3 соединен с вторыми входами блоков 1 и 3 и соединен через резистор 33 анодом диода 36, катод которого соединен с базой транзистора Т, базы транзисторов lt-19 соединены через резисторы 2126 с эмиттерами транзисторов 1, 15, 16, 17, 18 и 19. Каждый из блоков 27-29 содержит резистор 41 и диоды 42и k, аноды которых через резистор k соединены с первым и вторым выходами блока, катоды диодов k2 и 3 соединены со входами блока выбора минимального зна - чения. Устройство работает следующим образом. Диоды 30-32, 36-38 совместно с резисторами 21-26 защищают переход база - эмиттер транзисторов Й-19 от значительных запирающих напряжений с выходов усилителей 1-3. Каждый блок 27-29 в совокупности с соответствующим ему нижним транзистором 15-19 образует устройство выделения минимального сигнала из двух. Ток, протекающий через соответствую.чий транзистор 15-19, определяется-наиболее низким из двух напря-. жений, присутствую1чих на входах блока 27-29. Каждое указанное устройство выделения минимального сигнала из двух в совокупности с соответствующим верхним транзистором выполняет аналогичны.е функции: ток, протекающий через пару транзисторов, определяется наиболее низким из двух напряжений на входах соответствующего блока 27-29. Верхние транзисторы , 16

и 18 выполняют функции защиты устройства от отказа при коротком-замыкании между коллектором и эмиттером одного из нижних транзисторов 15, 17 и 19 соответственно, в процессе мажорирования в одном нижнем транзисторе соответствующий ему верхний транзистор запирается низким уровнем напряжения с.выхода соответствующего усилителяt

Пары транзисторов Й-15, 16-17, 18-19, включенные параллельно, совместно с резистсфом 39 образуют схему с общим коллектором и выделяют на резисторе 39 максимальный сигнал из трех, при этом напряжение на выходной шине 13 определяется той парой тран-. зисторов , в которой оба транзистора наиболее открыты,

Последоват-ельность .выбора минимального сигнала из каждых двух выходных напряжений усилителей 1-3, а затем выбор максимального сигнала из трех полученных обеспечивают выделение на шине 13 выборочной медианы из трех выходах напряжений усилителей 1-3.

Взаимодействие указанного устройства (элементы H-fO) выделения медианы с тремя усилителями 1-3 через цепи (элементы -Э) обратной связи обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы. При высоких значениях коэффициентов усиления усилителей 1-3 даже при незначительном неравенстве напряжений на входных шинах 10-12. или при Незначительной неидентичности элементов , 6, 8и5, 7, 9 выходные напряжения усилителей 1-3 резко различаются: на выходе одного из них предельно высокий уровень, на выходе другого уровень предельно низкий, а на выходе третьего - промежуточный, плавно изменяющийся в зависимости от текущего значения медианы входных напряжений. Вместе с устройством (элементы ) выделения медианы этот усилитель (например, 1) функционирует как операционный, и вид комплексного коэффициента передачи с входной шины 10 на выходную шину 13 определяется только параметрами, операционных элементов и 5. При этом погрешности выпЬлнения .операций с сигналами на входных шинах 1012, в т.ч. мажоритарного преобразования могут быть малыми, так как оп|ределяются практически только паран трами усилителей 1-3 и операционных элементов -9 При использовании быстродействующих транзисторов и диодов быстродействие мажоритарного устройства- может определяться практически только быстродействием усилителей.

в предложенном мажоритарном устройстве обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения. Для повышения верхнего уровня ограничения выходного напряжения необходимо уменьшать

сопротивление резисторов 33-35 и 1.

При этом оба транзистора пары получают в соответствующем режиме возможность открыться до необходимой степени. Уменьшение сопротивлений

указанных резисторов не противоречит условиям понижения низкого уровня ограничения выходного напряжения. Это обусловлено тем, что при плавно управляемом верхнем транзисторе пары

(например И, при этом плавно изменяется выходное напряжение усилителя 3), напряжение на базе нижнего транзистора 15 не может быть существенно выше, чем на базе верхнего, так как даже при предельно высоком напряжении с выхода соответствуюи1его усилителя 1 на втором входе усилителя 1, на втором входе соответствующегоблока 27, напряжение

на его выходе не может быть больше, чем на первом входе, т.е. на входе базовой цепи верхнего транзистора 1kо

Короткое замыкание одного резистора 1 приводит к отказу устройства, так как большой ток от положительной шины 20 источника питания через диод 42, 43 (включенные в прямом направлении),протекая через выходные цепи двух усилителей, приводит эти усилители одновременно в состояние насыщения. В реальном работоспособном устройстве все три усилителя всегда находятся в различных состояниях. Для исключения отказа устройства, вызванного указанной причиной, резисторы il поэлементно резервированы (не показано)от отказа типа короткого замыкания.

Короткое замыкание или обрыв резистора 39 приводит к отказу устройства. Для его исключения резистор 39 резервирован (не показано) от отказов типа короткого замыкания и типа обрыва.

После отказа любого другого элемента предложенного устэойства оно остается работоспособным, так как в нем осуществляются операции мажорирования относительно последствий этих отказов.

Таким образом, устройство обеспечивает широкий диапазон изменения выходного напряжения, в т.ч. при отказе одного любого элемента устройства.

В другом варианте использования изобретения могут быть использованы транзисторы другого типа, при этом необходимо изменить полярность подключения источника питания к шинам 20 и tO, а также включить в противоположном направлении все диоды.

По сравнению с извectными (точными, быстродействующими, нечувствительными к отказам элементов) мажоритарными устройствами с широким диапазоном изменения выходного напряжения предложенное устройство имеет повышенную надежность, а также сниженные габариты и массу благодаря уменьшению количества элементов. По сравнению с известным,в предложенном устройстве вместо трех двухвходных блоков выбора минимального напряжения использованы три резистора, при этом сохранены все функции и параметры известного устройства. При использовании простейших диодных блоков выбора минимального напряжения указанное упрощение в предложенном устройстве позволяет сэкономить шесть диодов, в результате чего на одну треть снижается интенсивность отказов использованных в устройстве диодов.

Формула изобретения

Мажоритарное устройство, содержащее три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную шину, шесть первых резисторов, шесть диодов, резистор нагрузки, второй, третий и четвертый резисторы, три пары последовательно соединенных транзисторов и три блока выбора минимального значения, первые выходы .которых соединены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов камадой пары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствуии ей пары операционных элементов, вторые выводы каждой пары операционных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена с второй шиной питания и соединена с эмиттерами вторых транзисторов

каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединены через соответствующие первые резисторы, вторые выходы первого, второго, третьего блоков выбора минимального значения, первые выводы второго, третьего и четвертогорезисторов соединены соответственно с анодами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого диодов, катоды

которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой, второй, третьей, пар, первых транзисторов первой, второй, третьей, пар, первых транзисторов первой, второй и

третьей пар, выход первого усилителя соединен с первыми входами первого и второго блоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго и первым входом третьего блоков выбора минимальных значений, выход третьего усилителя соединен с вторыми входами первого и третьего блоков выбрра минимальных значений, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с выходами третьего, первого и второго усилителей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Гильбо t.n. и др. Обработка сигналов на основе упорядочного выбора. И., Советское радио, 1975, с. 318,

рис. 7. 17.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке fC 26-75739/18-21 ,

кл. Н 03 К , 06.10.78.