Устройство для линеаризации нелинейных характеристик Советский патент 1982 года по МПК G06G7/26 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕАРИЗАЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано, например, для линеаризации характеристик инте ференционных и других датчиков, опи ваемых синусоидальной или косинусоидальной зависимостью. Известен функциональный преобразователь, содержащий генератор импульсов с источником опорного напря жения, компенсатор нулевого сигнала масштабирующий усилитель и элемент коррекции нелинейности, выполненный в виде делителя напряжения 1 . Недостатком этого устройства является ограниченный диапазон линейного преобразования,, оно удовлетворительно линеаризирует аналоговые сигналы, содержащие только квадрати ные составляющие от преобразуемого параметра. Наиболее близким техническим решением является устройство для лине аризации нелинейных характеристик. содержащее управляемый генератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с .входом устройства, а выход является выходом устройства, первый источник компенсирующего напряжения, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым управляющим входом генератора импульсов, квадратор, второй суммирующий усилитель, блок извлечения квадратного корня и второй источник компенсирую1чего напряжения , выход КО орого подключен к второму входу второго суммирующего усилителя, вход устройства через квадратор связан с первым входом второго суммирующего усилителя, выход которого через блок извлечения квадрат ного корня связан с вторым входом первого суммирующего усилителя 2. 3 Недостатком известного устройства являете низкая точность линеаризации входных синусоидальных и косинусомдальных сигналов, обусловленная нелинейностью зависимости, воспроизводимой устройством при линеаризации синусоидального входного сигнала (зависимость 1 на фиг. 2) FJ(FQ+K( 1+S in x-cos х), где К коэффициент пропорциональности, определяемый парамет рами генератора импульсов нулевая частота; преобразуемый параметр, И зависимости F FQ+K( 1+COS x-sin х) при линеаризации входного косинусоидального сигнала (зависимость 7а, 76 на фиг. 3). При этом нелинейность составляет 2,% в диапазоне изменения преобразуемого параметра от О до радиан по отношению к идеальной прямой преобразования. Характеристика (1) (зависимость 1а и 16 на фиг. 2) имеет S-образный характер. Целью изобрегеищ является повышение точности линеаризации входных аналоговых сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для линеаризации нелинейных характеристик, содержащее генератор импульсов, к зада ющему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход ге нератора импульсов является выходом ycтpoйcfвa, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с выхо дом первого суммирующего усилителя, первый вход которого соединен с выхо дом первого источника компенсирующег напряжения, второй вход через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом второго суммирующего . усилителя, первый вход которого подключен к выходу второго источникакомпенсирующего напряжения, второй вход через квадратор соединен с входом устройства, введены третий и чет вертый суммирующие усилители, три ключевых элемента и компаратор, причем первый вход третьего суммирующего усилителя соединен с входом устройства, второй вход третьего суммирующего усилителя соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, выход третьего суммирующего усилите9ЛЯ подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход соединен с управляющими входами первого., второго и третьего ключевых элементов, информационный вход первого из которых подключен к входу устройства, информационный вход второгок выходу первого источника компенсирующего напряжения, информационный вход третьего - к выходу блока извлечения квадратного корня, вь1ход первого из ключевых элементов подключен к первому входу четвертого суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с входом устройства, выход четвертого суммирующего усилителя подключен к второму управляющему входу генератора импульсов, выход второго ключевого элемента соединен с третьим входом первого суммирующего усилителя, четвертый вход которого соединен с выходом третьего ключевого элемента. Введение этих блоков повышает точность преобразования за счет ениже,ния погрешности нелинейности, которое обеспечивается вырабатыванием по ot ношению к известному, дополнительных корректирую1цих сигналов sin(x+-)cos(x+|-) на y4acjKe преобразования в пределах О х«; и 2+sin(x- )cos(x-|-) в пределах изменения|- х 4- , и их алгебраическим суммированием с сигналом 1+sin x-cos х, характерным для известного устройства. Так как знаки изменения чувствительности преобразования известного устройства разные в диапазонах О .: х и f X. р то в предлагаемом устройстве нелинейность с возрастающей чувствительностью известного устройства в диапазоне О (зависимость 1а на фиг, 2) компенсируется дополнительным смещением зависимости 1+sin x-cos X известного устройства (зависимость 16 на фиг.2). характеризующейся нелинейной зависимостью с убывающей чувствитель ностью, на (зависимость на фиг.2) по оси преобразуемого параметра х и (-1) по оси ординат V, и последующим их суммированием (результирующая зависимость 3 на фиг. 2), Таким образом, частота на выходе reHepajopa в-диапазоне изменения О х определяется выражением Fx 1+sfn x-cos x+sin(x+-)-cos (х+ .(3) Линеаризация известной зависимост 1+sin X-COS X в диапазоне X4; у (зависимость 16 на фиг. 2) осуществляется Сдвигом этой же зависимости на (j-) по оси преобразуемого параметра (смещена 1а в сторону опережения на (-) - зависимость 5 на фиг. 2) и на (-1) по оси ординат и поел едущим .суммированием {зависимость 6 на фиг. 2) со смещением на 2 -кратный единичный сигнал (зависимость 3 на фиг. 2}. В данном, диапазоне изменения Л . ,. . Ji Fy 3+sin x-cos х+51п(х-йг )cos (хfl V -тЬ( Преобразуя выражение (3) и (Л) получаемFj( 1+2,1 2 sin x-cos х для О : X ; ; F 3+5in x-2,4ln2 cos X . лл для - Введение последовательно соединен ных третьего суммирующего усилителя и компаратора, подключение двух входов третьего сум «1руЮ1цего усилителя i к устройства и выходу блока извлечения квадратного корня позволяет получить релейный сигнал на выходе компаратора, равный нулю при из менении преобладаний косин соиды над синусоидой и равный еди.нице - прит- х и преобладании си нусоиды над косинусоидой., Релейный сигнал компаратора изменяет коэффициенты передачи первого и четвертого суммируюс их усилителей, а также изменяет начальное смещение на первом суммирующем усилителе в соответствии с их необходимыми значениями для выполнения выражений пре - .U образования (5) - для , и (6) для f- x«-f- ., Линеаризация входных косинусоидальных аналоговых сигналов осуществляется аналогично. При этом частота на выходе генератора импульсов определяется выражением x-sin x+cos(x-5p )-sln(x-)3+cos x-2,4l42 sfn X(7) при 0 X |Т FX I+COS x-sin x+c6s(x+-)-sin(x+. +|-)1+2, cos x-sin X (8) при X s -j Для обеспечения этого входы подключения к третьему суммирующему усилителю {входа устройства и выхода блока извлечения квадратного корня) меняют местами. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 ,и 3 - графичесхие зависимости, отображающие этапы линеаризации соответственно входного синусоидального и косинусоидального аналоговых сигналов., Устройство содержит генератор 1 импульсов, выход 2 которого является выходом устройства, вход устройства 3, источник k опорного напряжения, первый источник 5 компенсирукмцего напряжения, первый суммирующий усилитель 6, квадратор 7 второй сум-. мирующий усилитель 8, блок 9 извлечения квадратного корня, второй источник 10 компенсирукхцего напряжения, третий и четвертый сум фуодие усилители 11 и 12, компаратор 13, первый, второй, .третий ключегзые элементы 1, 15 и 16. На фиг. 2 обозначены 1а и 16 выходная характеристика преобразования выходного аналогового синусоидального сигнала в частоту импульсов известного устройства; 2 - идеапьнёя характеристика преобразования известного устройства 3 - выходная характеристика преобразования входно аналогового синусоидального сигнала в частоту предлагаемого устройг ства} - смещенная ветвь 16 на у по оси преобразуемого параметра; 5 смещенная- ветвь 1а на (-f-) порей преобразуемого параметра; 6 - сумма зависимостей -16 и ij, при смещении зависимости 16 - 1 по оси ординат; . ., - приращение частоты при лине- аризации по известному устройству; . ч 1 vr I v« J f приращение частоты при линеаризации no предлагаемому устройству. На фиг. 3 обозначены 7а и 76 - выл ходная характеристика преобразования входного аналогового косинусоидальногр сигнала в частоту известного устройства} 8 - выходная характеристика преобразования входного косиыусоидального аналогового сигнала предлагаемого устройства; 9 - смещенная ветвь 7а на (-). по оси преобразуемого параметра; -W - смещен, - - .- . -, -... - ,,1 ная ветвь 76 на (+) по оси преобраЗУемого параметра. Устройство работает следующим о6раЗом. При воздействии входного аналогового сигнала, соответствующего пре образуемому параметру, на второй управляющий вход генератора 1 импульсов через четвертый суммирующий усилитель, частота на его выходе изменя ется на величину, пропорциональную входному сигналу относительно опорной частоты Fg , задаваемой истоУником k, которым устанавливают начальный уровень дозаряда емкостей управляемого генератора 1 и соответствует частота FQ генератора 1 при значении преобразуемого парамет: ра . Цепь коррекции, состоящая из блоков 7-10, вырабатывает первый кор ал иJ, ) , лоректирующии сигнал ( - t л} , .поступающий с Ёыхода первого су.ммирующего усилителя на первый управляющий вход генератора. При синусной характеристике входного датчика первый корректирующий сигнал соответствует зависимости cos х-1, а при косинусной характеристике - зависимости sin х-1. Совместное воздейатвие входного и корректирующего сигналов на управляющие входы генератора формирует частотную характеристику, связывающую частоту импульсов с преобразуемым параметром по отношению к частоте Fg или вида (1) (зависимость 1а и 16 на фиг. 2), при линеаризации синусоиды, или вида (2) при косинусоиде (зависимость 7а и 76 на фиг, 3) по аналогии с известным устройством . Одновременно входной синусоидальный сигнал поступает на первый вход третьего суммирующего усилителя 11, на второй вход которого поступает косинусоидапьный сигнал из блока 9 извлечения квадратного корня. В диапазоне изменения О х косинусоидапьная составляющая больше сину соидальной и на выходе усилителя 11 отрицательное напряжение, т.е. меньше нулевого напряжения общей шины, подключенной к второму входу компаратора 13 и на выходе компаратора устанавливается сигнал, равный логическому нулю. Этому состоянию компаратора 13 соответствует нормально закрытое состояние ключевого элемента -I и нормально открытые.состояния элементов 15 и 1б. К первому управляющему входу генератора 1 через усилитель 6 подклю- чен единичный сигнал от первого источника компенсирующего напряжения, к второму управляющему входу генератора, дополнительно ко входному сигналу, поступаю14ему через четвертый суммируюсций усилитель 12 (его второй вход), подключается дополнительная часть входного сигнала, 1, sin X (второй вход усилителя 12), а их совместное воздействие приводит к зависимости частоты на выходе генератора 1 от преобразуемого параметра в соответствии с выражением (5) или, что эквивалентно, с выражением (З). В диапазоне изменения - х. у , синусоидальная составляющая преобладает над косинусоидальной, напряжение на выходе усилителя 11 положительно, компаратор переходит в единичное . устойчивое состояние. При этом второму управляющему входу генератора Г через усилитель 12 подключен только :. входной синусоидальный сигнал, а к первому управляющему входу генератора 1 через усилитель 6 подключен дополнительно сигнал 1,142 cos X и 2 -кратный единичный сигнал, равный сумме квадратов входного сигнала и сигнала на выходе блока 9. Частота на выходе генератора 1 опреде ляется выражением (6) или, что эквивалентно,.выражением (). При х , сигнал на выходе компаратора равен или нулю или единичному состоянию, но частота на выходе генератора 1 равна F. При линеаризации входных косинусоидальных сигналов на вход 3 устройства поступает косинусоидальный сигнал, ас выхода блока 9 снимают синусоидальный. i Для обеспечения режима линеаризации по выражению (7 } при О (х и выражению (8 ) при (х. входные сигналы третьего суммирующего усилителя меняют местами, чем достигают срабатывания компаратора 13 в диапазоне О х и его возврат в нулевое состояние при «х . Технико-экономический эффект заключается в повышении при 2 -кратном увеличении чувствительности в 9-10 раз точности преобразования аналоговых входных сигналов, содержащих синусные и косинусные зависимости от преобразуемого параметра.

Общая Н1елинейность частоты на вы ходе устройства от преобразуемого параметра, в пределах его изменения от О до радиан, не превышает 0,.

Формула изобретения

Устройство для линеаризации нелинейных характеристик, содержащее генератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход генератора импульсов является выходом устройства, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с выходом первого суммирующего усилителя, первый вход которого соединен с выходом первого источника компенсирующего напряжения второй вход через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом второго суммирующего усилителя, первый вход которого подключен к выходу второго источника компенсирующего напряжения, второй вход через квадратор соединен с входом устройства, отличающееся тем, чтф, с целью повышения точности линеаризации, в устройство введены третий и четвертый суммирующие усилители, три ключевых элемента и компаратор, причем первый вход третьего суммируклцего усилителя соединен с входом устройства, второй вход третьего суммирующего усилителя соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, выход третьего суммирующего усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход соединен с управляющими входами первого, второго и третьего ключевых элементов, информационный вход первого из которых подключен к входу устройства, информационный вход второго - к выходу первого источника компенсирующего напряжения, информационный вхбд третьего - к выходу блока извлечеSния квадратного корня, выход первого из ключевых элементов подключен к первому входу четвертого суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с входом устройства, выход четвертого суммирующего усилителя подключен к второму управляюи ему входу генератора импульсов, выход второго ключевого элемента соединен с третьим входом первого суммирующего усилителя, чeтвeptый вход которого соединен с выходом третьего ключевого элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2,Авторское свидетельство СССР по заявке W 287778i9/l8-2|t.

кл. G Об О 7/26 (прототип).

Ll-.±i J