Мажоритарное устройство

п 11945995 Сома СоветсиинСоциапистичвсиинрвспубттии ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ф(53)М. Кл. Н 03 К 19/23 РпударетнанныВ нмитат СССР ао делам изайретений и атнрытнй(22) Автор изобретения Ю,Н,Родионов ЕОсобое конструкторское бюро технической кибернетикиЛенинградского политехнического института)им. И,И.Калинина(5 Й МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО 1Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к устройствам, выполняющим мажоритарное преобразование аналоговых сигналов, заданных электрическим напряжением (током) и может быть исполь 5 зовано 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 точностьУ быстродействие, способность сохранять работоспособность при отказе элементов, входящих в их составТакое устройство содержит три усилителя, к входу каждого из которых подключены первые выходы двух операционных эле ментов, второй вывод одного из которых подключен к входной шине, а другого - к выходной шине, соединенной с выходами усилителей. 2При использовании усилителей свысокими коэффициентом усиления ибыстродействием вид комплексного коэффициента передачи всего устройстваопределяется только типом операционных элементов.Каждый операционный элемент может быть не только двухполюсником(например, резистор, конденсатор, диод), но и многополюсником (транзистор, трансформатор). Такие мажори"тарные устройства обеспечивают высокие метрологические характеристикипри выполнении линейных и нелинейных операций над входными сигналами,совмещенных с мажоритарным пресб,разованием 1 11,Недостатком известного устройстваявляется узкий диапазон измерениявыходного напряжения.Известно мажоритарное устройство,содержащее три входных шины, две шины питания, три усилителя, три парыоперационных элементов, выходную ши ну, шесть резисторов, шесть диодов, резистор. нагрузки, три пары последовательно соединенных транзисторов и шесть блоков выбора минимального значения, первые выходы которых сое" динены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каж" дой пары., вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответству" ющей пары операционных элементов, 1 О вторые выводы каждой пары операционных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с вы" ходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена с второй Ши ной питания и с эмиттерами вторых транзисторов каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединенО через соответствующие резисторы, вторые выходы первого, второго, третьего; четвертого, пятого и шестого блоков выбора минимального значения соединены соответственно с анодами первого, второго, третьего, четвертогопятого и шестого диодов, катоды которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой, второй, третьей пары, первых транзисторов первой, второй и третьей пары, выход первого усилителя30 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, четвер" того и шестого блоков выбора минимального значения. В устройстве каждый блок выбораминимального значения содержит двадиода и резистор, один вывод которого соединен с первым выходом блока,второй выход которого соединен свторым выводой резистора и анодамидиодов, катоды которых соединены свходами блока.Каждая пара последовательно включенных транзисторов совместно с двумя соответствующими блоками выбораминимального напряжения образуетустройство выбора минимального сигнала из двух. Три пары транзисторовсовместно с резистором нагрузки образуют устройство выделения максимального сигнала из трех,5 4Комбинация транзисторов с блокамивыбора в целом образует устройствовыделения выборочной медианы из выходных сигналов усилителей, которыелинеаризуют межоритарное устройствов целом. Комбинация транзисторовс резистором нагрузки образует широкополосный каскад по схеме с общимэмиттером, практически не снижающий быстродействие усилителей, прииспользовании операционных усилителей с внутренней коррекцией, а такжевысокочестотных транзисторов и диодов обеспечивается, высокое быстродействие устройства без дополнительныхкорректирующих цепей.В таком устройстве диапазон выходного напряжения приблизительно равен диапазону выходного напряженияусилителей. Для повышения верхнегоуровня ограничения выходного напряжения необходимо уменьшить сопротивление резисторов в блоках выделенияминимального напряжения, что не влияет на нижний уровень ограничениявыходного напряжения Г 2 1.Недостатком устройства являетсянизкая надежность в смысле высокойинтенсивности отказов из-за большогоколичества элементов, входящих в,его состав. Несмотря на то, чтоустройство защищено от единичногоотказа любого его элемента, втосЪрой отказ какого-либо элемента может привести к отказу устройствав целом. При большом числе элементов в мажоритарном устройствепервый и второй отказы элементовпроисходят чаще,Цель изоЬретения - 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, резистор нагрузки,второй, третий и четвертый резисторы, три пары последовательносоединенных транзисторов и три Ьлока выбора минимального значения,первые выходы которых соединеныс первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каждойпары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов,вторые выводы каждой пары операци94599 1 О 15 20 25 онных элементов соединены соответственно с одной из входных шин ис выходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена со второйшиной питания и соединена с эмиттерами вторых транзисторов каждойпары, базы и эмиттеры транзистороввсех пар соединены через соответствующие первые резисторы, вторые выходы первого, второго и третьегоблоков выбора минимального значения,первые выводы второго, третьего ичетвертого резисТоров соединены соответственно с анодами первого, вто" рого, третьего , четвертого, пятого и шестого диодов, катоды которыхсоединены с базами соответственно,вторых транзисторов первой, второй,третьей пар первых транзисторовпервой, второй и третьей пар, выходы первого усилителя соединен спервыми входами первого и второгоблоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен со вторым входом второго и первым входом третьего блоков выбораминимальных значений, выход третьего усилителя соединен со вторымивходами первого и третьего блоков выбора минимальных з на чен ий, 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 4-9, входные шины 10-12, выходную шину 13, транзисторы 14-19, шину 20 питания, резисторы 21-26, блоки 27-29 вь 1 бора минимального значения, диоды 30-32, резисторы 33-35, диоды 36-38, 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 4, 6 и 8 соединены соответственно с входными шинами 10, 11 и 12, вторые выводы операционных элементов 5, 7 и 9 соединены с выходной шиной 18, с эмиттерами транзисторов 15, 17 и 19 и соединены через резистор 39 нагрузки с шиной 40 питания, коллекторы тран 35 ао 45 50 55 5 бзисторов 15, 17 и 19 соединены соответственно с эмиттерами транзисторов 14, 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 30-32, катоды которых соединены соответственно с базами транзисторов 15, 17 и 19, выход усилителя 1 соединен с первыми входами блоков 1 и 2 и соединен через резистор 34 с анодом диода 37) катод которого соединен с базой транзистора 16, выход усилителя 2 соединен с вторым входом Ьлока 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 Ьлоков 1 и 3 и соединен через резистор 33 анодом дио" да 36, катод .которого соединен с базой транзистора 14, базы транзисторов 14-19 соединены через резисторы 21- 26 с эмиттерами транзисторов 14, 15, 36, 17) 18 и 19.Каждый иэ блоков 27-29 содержит резистор 4 1 и диоды 42 и 43, аноды которых через резистор 4 1 соединены с первым и вторым выходами блока, катоды диодов 42 и 43 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 14- 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 соответствующий транзистор 15-19, определяется наиболее низким из двух напря-. жений, присутствующих на входах Ьло" ка 27-29.Каждое указанное устройство выде" ления минимального сигнала иэ двух в совокупности с соответствуоцим верхним транзистором 14-18 выполняет аналогичные функции: ток, протека" ющий через пару транзисторов, определяется наиболее низким из двух напряжений на входах соответствующего блока 27-29, Верхние транзисторы 14, 16945995 8нетрами усилителеи 1-3 и операционных элементов 4-9. При использовании м быстродействующих транзисторов и диодов быстродействие мажоритарного устройства. может определяться практически только быстродействием усилии- Телей,20 7и 18 выполняют Функции защиты уст"ройства от отказа при короткомза"мыкании между коллектором и эмиттероодного иэ нижних транзисторов 15, 17и 19 соответственно, в процессе мажорирования в одном нижнем транзисторе соответствуоций ему верхний тразистор запирается низким уровнем напряжения с,выхода .соответствующегоусилителя. юПары транзисторов 14-15, 16-17,18- 19 включенные параллельно, сов"местно с резистором 39 образуют схемус общим коллектором и выделяют нарезисторе 39 максимальный сигнал иэ 1 зтрех, при этом напряжение на выходнойшине 13 определяется той парой транзисторов 14" 19, в которой оба тран-зистора наиболее открыты,Последовательность выбора мини"мального сигнала из каждых двух выходных напряжений усилителей 1-3,а затем выбор максимального сигналаиз трех полученных обеспечивают выделение на шине 13 выборочной медианы диз трех выходных напряжений усилителей 1-3. Взаимодействие указанного устройства (элементы 13-40) выделениямедианы с тремя усилителями 1-3 через цепи (элементы 4-9) обратной связи обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы.При высоких значениях коэффициентов усиления усилителей 1-3 даже при зз незначительном неравенстве напряжений на входных шинах 10-12, или при не" значительной неидентичности элементов 4, б, 8 и 5, 7, 9 .выходные напряжения усилителей 1-3 резко разли" 40 чаются: на выходе одного из них предельно высокий уровень, на выходе другого уровень предельно низкий, а на выходе третьего - промежуточный, плавно изменяющийся в зависимости от 45 текущего значения медианы входных напряжений, Вместе с устройством (элементы 13-40) выделения медианы этот усилитель (например, 1) функ" ционирует как операционный, и вид комплексного коэффициента передачи с вхОДной шины 10 нд выхоДную шину 13 определяется только параметрами.операционных элементов 4 и 5. При этом погрешности выполнения :операЯ ций с сигналами на входных шинах 10- 12, в т,ч. мажоритарного преобразования могут быть малыми, так как определяются практически только параВ 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 41,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. Этосбусловлено тем, что при плавно управляемом верхнем транзисторе пары (например 14, при этом плавно изменяется выходное напряжение усилителя 3), . напряжение на базе нижнего транзистора 15 не может быть существенно выше, чем на базе верхне" го, так как даже при предельно высоком напряжении с выхода соответствующего усилителя 1 на втором входе усилителя 1, на втором входе соответствуацегоблока 27, напряжение на его выходе не может быть больше, чем на первом входе, т.е, на входе базовой цепи верхнего транзистора 14.Короткое замыкание одного резистора 41 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. Дпя исключения отказа устройства, вызванного указанной причиной, резисторы 41 поэлементно резервированы (не показано)от отказа типа короткого замыкания.Короткое замыкание или обрыв резистора 39 приводит к отказу устройства. 1 Цля его исключения резистор 39 резервирован (не показано) от отказов типа короткого замыкания и типа обрыва.После отказа любого,другого элемента предложенного устоойства оноостается работоспособным, так какв нем осуществляются операции мажорирования относительно последствийэтих отказов,Таким образом, устройство обеспечивает широкий диапазон изменениявыходного напряжения, в т.ч, приотказе одного любого элемента устройства.В другом варианте использованияизобретения могут быть использованы транзисторы 14-19 другого типа,при этом необходимо изменить полярность подключения источника питания к шинам 20 и 40, а также включить в противоположном направлениивсе диоды,По сравнению с известными точными, быстродействуоцими, нечувствительными к отказам элементов)мажоритарными устройствами с широким диапазоном изменения выходногонапряжения предложенное устройствоимеет повышенную надежность, а также сниженные габариты и массу благодаря уменьшению количества элементов. По сравнению с известным,впредложенном устройстве вместо трехдвухвходных блоков выбора минимального напряжения использованы трирезистора, при этом сохранены всефункции и параметры известного устройства. При использовании простейших диодных блоков выбора минимального напряжения указанное упрощение в предложенном устройстве позволяет сэкономить шесть диодов, врезультате чего на одну треть снижается интенсивность отказов использованных в устройстве диодов.Формула изобретенияМажоритарное 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 па" ры 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 каждогоусилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов, вторые выводы каждойпары операционных элементов соедине 10 ны соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной, котораячерез резистор нагрузки соединенас второй шиной питания и соединенас эмиттерами вторых транзисторов15 каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединены черезсоответствующие первые резисторы,вторые выходы первого, второго,третьего блоков выбора минимального значения, первые выводы второго,третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с анодами пер"вого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого диодов, катоды25 которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой,второй, третьей, пар, первых транзисторов первой, второй, третьей, пар,первых транзисторов первой, второй и30третьей пар, выход первого усилителя соединен с первыми входами пер"вого и второго Ьлоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго и первым входом третьего блоковвыбора минимальных значений, выходтретьего усилителя соединен с вторы"ми входами первого и третьего блоковвыбрра минимальных значений, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, вторые выводы второго, третьего и четвертогорезисторов соединены соответственнос выходами третьего, первого и второго усилителей.45Источники информации,принятые во внимание при экспертизеГильЬо Е,П, и др, ОЬраЬотка сигналов на основе упорядочного выбора.М., "Советское радио, 1975, с. 318,рис. 7, 17.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2675739(18-21,кл. Н 03 К 19/42, 06, 10,78.