Устройство усреднения

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСНИЕСПУБЛИН 3151) Н 03 11 5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ти в широком диапазоне температур,в него введены триггер, первый входкоторого соединен с управляющим входом устройства, последовательно соединенные первый экспоненциальный.преобразователь, вход которого соеди.нен с выходом второго интегрирующегоусилителя, и компаратор, выход которого соединен с вторым. входом триггера и управляющим входом блока выборки и хранения, второй экспоненциальный преобразователь, выход которого соединен с входом блока выборкии хранения, элемент памяти, вход которого соединен с выходом первогоинтегрирующего усилителя, а выходсоединен с другим входом компарато- Яра, управляющие входы элемента памяти, первого и второго экспоненциального преобразователей соединены свыходом триггера, входы второгоэкспоненциального преобраэователя ивторого интегрирующего усилителя яв-рляются входом опорного напряженияустройства. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) В.А.Медников и А,Н.Порынов (71) Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им, акад. С.П.Королева(56) 1.Авторское свидетельство СССР 9 568150, кл. Н 03 Н 7/01, 1978.2,Справочник по нелинейным схемам Под ред. Д.Шейнголда, М., Мирфф, 1977, с, 116-117, рис. 2.3.12 (прототип) .(54)(57) УСТРОЙСТВО УСРЕДНЕНИЯ, содержащее блок выборки и хранения, выход которого является выходом устройства, первый интегрирующий усилитель, вход которого является входом устройства, второй интегрирующий усилитель, управляющие входы первого и второго интегрирующих усилителей являются управляющим входом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точнос,1100713 АИзобретение относится к радиотехнике и измерительной технике и можетбыть использовано для сокращенияобъема данных в установках технической диагностики по спектральномусоставу шумов и вибраций режимов5работы различных промышленных объек.тов, а также в медицине при измерении среднего давления крови в течение каждого сердечного цикла, определении среднего выдыхаемого объема 10СО в каждом дыхательном цикле ит.д,Известно устройство усреднения,содержащее Н последовательно включенных Г-образных звеньев РС -фильтров нижних частот с управляемой постоянной времени, регулирующими эле-ментами которых являются полевыетранзисторы, сопротивления которыхопределяются блоком управления1 3 . 20Однако в известном устройстве велика постоянная времени переходногопроцесса при переходе от одного уровня сигнала к другому, что являетсяпричиной его недостаточного быстродействия,Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является устройство усреднения, содержащее блоквыборки и хранения, выход которогоявляется выходом устройства, первыйинтегрирующий усилитель, вход которого является входом устройства, второй интегрирующий усилитель, управляющие входы первого и второго интегрирующих усилителей являются управ-ляющим вхбдом устройства, и делитель,входы. которого соединены с выходамипервого и второго интегрирующих усилителей, а выход соединен с входомблока выборки и хранения 123 . 40Недостатком известного устройстваявляется низкая точность, обусловленная погрешностью делителя аналого,вых величин, обладающего в реальныхустройствах низкой точностью деления 45и малым динамическим диапазоном входных величин. Известному устройствуприсуща низкая температурная стабильность, обусловленная применением внем блока аналогового делителя на 50нелинейных элементах.Цель изобретения - повышение точности в широком диапазоне температурПоставленная цель достигаетсятем, что в устройство усреднения .р 5 Гсодержащее блок выборки и хранения,выход которого является выходом устройства, первый интегрирующий усилитель, вход которого является входомустройства, второй интегрирующий уси.литель, управляющие входы первого ивторого интегрирующих усилителейявляются управляющим входом устройства, введены триггер, первый входкоторого соединен с управляющим входом устройства, последовательно сое 65 диненные первый экспоненциальный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго интегрирующего усилителя, и компаратор, выход. которого соединен с вторым входом триггера и управляющим входом блока выборки и хранения, второй экспоненциальный преобразователь, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения, элемент памяти, вход которого соединен с выходом первого интегрирующего усилителя, а выход соединен с другим входом компаратора, управляющие входы элемента памяти, первого и второго экспоненциального преобразователей соединены с выходом триггера, входы второго экспоненциального преобразователя и второго интегрирующего усилителя являются входом опорного напряженияустройства.На фиг, 1 представлена структурнаяэлектрическая схема предложенного устройства усреднения;ка фиг.2 ( 4, б,8, , д, е, ж, 3, и 3 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройстваусреднения,Устройство усреднения содержитпервый интегрирующий усилитель 1,содержащий усилитель 2, конденсатор3 и резистор 4, ключ 5, второй интегрирующий усилитель б,содержащий усилитель 7,конденсатор 8 и резистор 9,ключ 10, триггер 11, первый экспонен-циальный преобразователь 12, содержа"щий конденсатор 13 и резистор 14,ключ 15, второй экспоненциальныйпреобразователь 16, содержащий конденсатор 17, ключ 18 и резистор 19,компаратор 20, блок 21 выборки ихранения, элемент 22 памяти, содержащий ключ 23 и конденсатор 24, источник 25 опорного напряжения.устройство работает следующимобразом,Работа устройства состоит из двухстадий: подготовительной и стадиипреобразования напряжения,На подготовительной стадии интегрируются входное (фиг.2 о) и опорное напряжения в первом 1 й втором 6интегрирующих усилителях.соответственно, В конце подготовительной стадии выходное напряжение второго интегрирующего усилителя б и напряжениеисточника 25 используются при подготовке первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей соответ.ственно к стадии преобразования напряжений.На стадии преобразования напряжений выходные напряжения первого 12 ивторого 16 экспоненциальных преобра"зователей изменяются по экспоненциальному закону до момента сравнениявыходного напряжения первого экспоненциального преобразователя 12 с выходным напряжением элемента 22 памяти,1100713 В момент времени 1 равенства вы, ходных напряжений первого экспонен,циального преобразователя 12 и элемента 22 памяти срабатывает компаратор 20, на выходе которого. в моментсрабатывания появляе".ся короткий импульс (фиг. 2 е), поступающий на вторые входы триггера 11 блока 21 выборки и хранения, который в моментвремени 1 ФиксиРует величину выходного напряжения второго экспоненциального преобразователя 16, являющуюся результатом измерения среднего значения входного сигнала Ч за5время усреднения Т, и сохраняет егов виде напряжения в течение последующего времени (времени следующейподготовительной стадии и стадиипреобразования) до новой выборки(фиг.2 и)Триггер 11 в момент Ф импульсомкомпаратора 20 взводится при этомего выходное напряжение соответствует уровню логической единицы (фиг,2 ж)Ключи 15, 18 и 23 замыкаются, в результате чего выходные потенциалыпервого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей и элемента22 становятся равными выходным напряжениям соответственно источника 25и первого 1 и второго б интегрирующих усилителей, обеспечивая тем самым формирование подготовительнойстадии к новому циклу измеренияМожно показать, что величина напряжения, зафиксированная и хранимая блоком .21 с момента времениявляется вычисленным значением по"стоянной составляющей переменногонапряжения Ч при условииь=7, (1что вытекает из следующего.В момент. 1 напряжение Ч на выхо ед элемента 22 (на конденсаторе 24)гравно величине интеграла напряженияЧ поступающего с выхода первогоинтегрирующего усилителя 1, за времяусреднения ТЧ = - Ч И= - Ч дую=К Ч, (+(22 т з 71 рфногде 1 - момент времени прихода предыдущего синхроимпульса Т;- постоянная интегрированияпервого интегрирующего усилителя 1, определяемая выРажением р г Р С 3 Г В котором й величина сопротивления масштабного резистора 4, а сз - величина емкости конденсатора 3;- коэффициент пропорциональ 1 гности,Ч = Ч,ДЕно В качестве начального напряженияпервого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей, а также элемента 22 памяти используются их входные напряжения в конечный момент подготовительной стадии.5,В результате, на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 образуется напряжение, пропорциональное среднему значению входного исследуемого сигнала. 10Более подробно работу устройства рассмотрим начиная с подготовитель" ной стадии с момента времени С(фиг. 2) .С момента времени 1 и до моментами;15 ключи 5.и 10 разомкнуты, триггер 11 взведен, в результате чего на его выходе сформировано напряжение уровня логической единицы, При этом ключи15, 18 и 23 замкнуты отчего напряР 20 , 1 кения на выходе первого интегрирующего усилителя 1 и на выходе элемента 22 памяти одинаковы и пропорциональны интегралу входного напряженияействующего (присутствующего) на входе устройства. А напряжение на выходе второго интегрирующего усилителя 6 и на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 равны и изменяются по линейному закону.В момент времени С на управляющий вход устройства приходит очередной синхроимпульс Т, (Фиг,24)1 ко" торый сбрасывает триггер 11 - устанавливает его в положение,при котором напряжение на его выходе соот- З 5 ветствует уровню логического нуля (фиг, 2 ж)При этом с момента 1 ключи 15, 18 и 23 размыкаются.Ключи 5 и 10 замыкаются на время 40 действия синхроимпульса, в результа- . те чего выходные напряжения первого 1 и второго 6 интегрирующих усилите) лей сбрасываются до нулевого уровня в момент прихода синхроимпульса (фиг.2 в, ).С момента 1 напряжение иа выходе первого экспоненциального преобразо- . вателя 12 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени(1501+ 13 фгде Р- величина сопротивления резистора 1 4;С - величина емкости конден сато"ра 13 ( участок -л на Фиг.2 д) 55С этого же момента времени 1 на." пряжение на выходе второго экспонен-, циального преобразователя 16 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени7:060ц С, (л 1где Р - величина сопротивления резистора 19;с, - величина емкости конденсатора 17 (участок в-н на фиг.2 з) 651100713 и сохраняется с момента Ф в течение последующего времени.Напряжение О на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 .(на конденсаторе 13), равное напряжению, поступающему с выхода второго 5 интегрирующего усилителя б в,момент +,1 , определяется величиной:К Т КЧо,Ь(Ь- ) ой Кгт 15 Отсюда следует, что напряжениена выходе второго экспоненциальногопреобразователя 16 в момент Фг, выб .ранное в этот момент блоком 21 выборки и хранения (например, вольтметром мгновенных значений) и сохраняЗ 5 ющееся в последнем до новой выборки(фиг,2 и), пропорционально выделенной постоянной составляющей переменного напряжения К 9 за время усреднения т . При этом постоянный множитель4 О оь в выражении (15) является масштаб.ным коэффициентом,Таким образом, болЕе высокая температурная стабильность предлагаемого устройства обеспечивается благодаря выделению постоянной направляющей переменных напряжений без применения аналогового делителя, выполненного в прототипе на нелинейныхэлементах. В предлагаемом устройстве выделение постоянной составляющейпеременных напряжений выполняетсяна блоках, температурная нестабиль- .ность .которых существенно изменяетвыходной результат. В сравнение спрототипом повышение точности выде.ления постоянной составляющей пере-.менных напряжений (т.е, повышениетбчности измерения средних значенийисследуемых сигналов) в предлагаемомустройстве также связано с выделени 6 О ем постоянной составляющей переменных напряжения без применения аналогового делителя, а следовательно,и без погрешности деления, достигающей в прототипе существенной величины. где Оо - величина напряжения опорного источника 25;ф - постоянная интегрированиявторого интегрирующего.усилителя б, определяемая выражением Ф Р С , в котором й - величйна сопротив 9ления масштабного резистора 9, а Сз - величина емкосопти конденсатора 8;= в " - коэффициент пропорциональгности,С момента д напряжение на выходе первого экспоненциального.преобразователя 12 изменяется.по закону. 011яКТе, (7) а на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 - согласна выражению (Ф,-1гф16(ь ) йВ момент 1 напряжения на входах комнаратора 20 сравниваются(,- + ) (,- +а напряжение на выходе второго экспоненциального преобразователя 16к моменту 1 г достигает. величины=О е " (1 о) 161 ) оп Так как время работы второго экспоненциального преобразователя 16 может быть определено из выражения (9) как Чг К 1 Ч+ -:-те=-ть " (ц) К Т Кгт то напряжение, до которого успевает разрядиться конденсатор 11 экспонен циального преобразователя 16, будетравно согласно выражению (10) величине К Чц =ц е" г . (ю)16(ь:1оп При выполнении условия т:т, выходное напряжение второго экспоненциального преобразователя 16 определяетсясогласно Так как Чц определяется выражением1100713 2,2 Составитель Н.МельникТехред М. Кузьма едактор Л.Алексеенк ектор И,Муск аказ 45 Подписное илиал ППИ .Патент, г.Ужгород, ул.Проект Тираж ВНИИПИ 1 ссуда по делам из 113035, Москва, 862ственного кбретений иЖ, Раушс итета СССРкрытыйя наб д.4/5