Аналого-цифровой интегратор

Сеез Советских Социалистических РеслубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ п 813456(61) Дополнительное к авт.сеид-ву Р 507872 (22) Заявлено 190279 . (21) 2727667/18-24 с присоединением заявки йо(51)М. Кл. С 06 6 7/186 Государственный комитет СССР по дмам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения М,Н,Глазов и Э.С,Никулин 71) Заявите 54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРА привеся испожностьвие инодномо дляи авлеИзобр ке и пред напряжен то может е контро акже воз я в дейс ося в хо желатель систем к автоматиормированияьного интег"Оно может х автоматизличных теха также объ- остоянные е относи с ачено для ропорциона ого сигнал я в систем ирования р процессов, х большие т тени назн я, п ходи атьс егул ких еющи использов ческого р нологичес ектов, им времени,По ос известен тор, сод пряжение ратором, ышение досчет обесонтроля исот пр новному авт,св, 9 507872аналого-цифровой интеграержащий преобразователь на- .-частота с аналоговым интегреверсивный счетчик импульсов, цифроаналоговый 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 зависимости от режима работы интегратора 11).Однако и огоаналого-циф те; чение значи обслуживаниясутствия в с авспользование извести рового интегратора в тельного времени без затруднительно из-за нем цепей контроля и ности интегратора, чти к сбою, Отсутстви лравности исключает т мавтоматического ввод ттегратора, находящег лрезерве, что весьма нповышения надежности У Рния.Цель изобретения - повстоверности результата запечения автоматического кправности интегратора,Эта цель достигается тем, что винтегратор введены Фильтр, дифферен15 цирующая цепь, последовательно включенные апериодический фильтр, ключи релейный элемент, генератор импулсов, линия задержки, ограничительныерезисторы и два элемента И, первые2 О входы которых подключены к соответствующим выходам линии задержки,вторые входы элементов И соединеныс генератором импульсов и с входомсброса релейного элемента соответ 2 ственно, а выходы элементов И подклчены к шинам установки счетчика,причем вход ключа соединен черезпоследовательно включенные первыйограничительный резистор и Фильтр30 с входом апериодического фильтра ивыходом блока сравнения и через второй ограничительный резистор - свыходом блока слежения-хранения,управляющий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходомблока выделения модуля, вход линиизадержки подключен к выходу старшего разряда счетчика, а вход релейного элемента через третий ограничительный резистор - к суммирующему входу операционного усилителя.На фиг,1 представлена схема аналого-цифрового интегратора; нафиг,2 - временные диаграммы его работы в режиме контроля,Аналого-цифровой интегратор содержит преобразователь 1 напряжениечастота, построенный на аналоговоминтеграторе 2 с цепью 3 сброса в нулевое состояние и трехпозиционномкомпараторе 4, счетчик 5 с входами7 и 8 управления реверсом, цифроаналоговый преобразователь 9, выходной сумматор 10 с масштабными резисторами 11 и 12 и управляемым ключем13 на транзисторе, подключенном через согласующую цепь 14 к импульсному выходу компаратора, двухпозиционный переключатель 15 с входами 16,17 и управляющим входом 18, блок,19слежения-хранения, содержащий усилитель 20, запоминающий конденсатор21, истоковый повторитель 22 на полевом транзисторе и переключатель23 режима работы слежение-хране-.ние, блок 24 сравнения, резистор25, блок 26 выделения модуля и логический.элемент И-НЕ 27.К аналого-цифровому интегратору28, образованному укаэанными элементами, дополнительно подключены апериодический фильтр 29 на операционном усилителе 30, резисторах 31, 32и конденсаторе 33, ключ 34, релейныйэлемент 35, имеющий вход 36 сброса,цепи самоблокировки и сброса в нулевое положение, генератора 37 импульсов, линия 38 задержки и два элемента Й 39 и 40. Вход ключа 34 черезограничительные резисторы 41 и 42соединен соответственно с выходамиапериодического фильтра 29 и блока19 слежения-хранения и через ограничительный резистор 43 и фильтр 44на конденсаторе 45 и резисторе 46соединен с входом апериодическогофилвтра 29 и выходом блока 24 сравненя, Управляющий вход ключа 34соединен с выходом блока 26 выделения модуля через дифференцирующуюцепь 47. Вход релейного элемента 35пОдключен к суммирующей точке усилителя 30 через резисторе 48,Работа аналого-цифрового интегратора происходит следующим образом.В промежутках между интерваламиконтроля при наличии входного сигнала Опреобразователь напряжениечастота генерирует импульсы с частотой, пропорциональной /Б Ьх/,Пусть Оь 0, тогда на потенциальныхвыходах трехпозиционного компаратора 4, соединенных с входами 7 и 8управления, реверсивного счетчика5, устанавливаются напряжения, настраивающиесчетчик на сложения, импульсов, Кодовые комбинации, возникающие в счетчике, преобразуютсяцифроаналоговым преобразователем 9в возрастающее напряжение, поступающее на вход сумматора 10, Возникновение импульсов на счетном входе 6реверсивного счетчика 5 происходитв моменты времени, когда напряжениена выходе аналогового интегратора 15 2 достигает уровня срабатывания компаратора 4, после чего под действием выходного сигнала компаратораосуществляется быстрый сброс (разряд конденсатора) аналогового ин О тегратора 2, В результате компаратор4 выключается, и процесс зарядаконденсатора под действием Уех повторяется, Поэтому за каждый периодработы преобразователя 1 в счетчике5 фиксируется приращение интеграланапряжение бхт.е. происходитквантование интеграла входного напряжения Уь,по уровню, Для устранения погрешности квантования всхеме осуществляется суммированиевыходного сигнала цифроаналоговогопреобразователя 9 с выходным сигналом аналогового интегратора 2 с помощью сумматора 10, Устранение 35всплесков напряжения на выходе аналого-цифрового интегратора, возникающих в моменты сброса аналогового интегратора 2 достигается спомощью резисторов 11, 12 и ключа13 на транзисторе, база которого 40 через согласующую цепь 14 подключается к импульсному выходу компаратора 4, благодаря чему сумматор 10отключается от аналогового интегратора 2 во время разряда его емкости.45 При единичном сигнале У переключатель 16 находится в положении,при котором выход аналого-цифровогоинтегратора подключен к входу блока 19 слежения-хранения. Этот блок 5 О при отсутствии сбоя счетчика 5 работает в режиме слежения за выходным напряжением интегратора 061.Действительно, в режиме слеженияна входах трехпозиционного блока24 сравнения действуют практическиравные напряжения Ои и Бьых, а потому выходные сигналы блока 24 сравнения и блока 26 выделения модуляравны нулю. На выходе логическогоэлемента И-НЕ 27 возникает единич ный сигнал, поддерживающий переключатель 23 в замкнутом положении,что соответствует режиму слеженияблока 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 0 м.протекает так же, как .н в случае положительного напряжения 0 ьх, с той лишь разницей, что под действием 0 ьх. С О. реверсивный счетчик 5 настраивается компаратором 4 на вычитание импуль" сов, поступающих на его счетный вход б, В результате напряжение 0 ь,1 х на выходе интегратора уменьшается.В процессе работы устройства в режиме интегрирования входного напряжения 0 Ьхблагодаря отсутствию сигнала ва выходе блока 24 сравнения, напряжения ва выходе апериодического Фильтра 29 и на конденсаторе 45 фильтра 44 равны нулю. Поэтому на вход ключа 34 поступает только выходной сигнал блока 19 слеженияхравения. Этот сигнал не передается на вход релейного элемента 35, так как ключ 34 закрыт, поскольку напряжение на входе дифферевцирую- . щей цепи 27 не изменяется, При отсутствии импульсов генератора 37 на выходах элементов И 39 и 40 действуют нулевые логические сигналы, не влияющие ва работу реверсивного счетчика 5. Рассмотрим теперь .работу интегратора в интервалах контроля. Выходной импульс 022 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 шкн установки счетчика 5. Если к моменту появления импульса 0 З 2 код в счетчике превышал нулевое значение (выходное напряжение интегратора 0 вО) (диаграмма А на фиг,2), то по импульсу Озр код в счетчике принимает минимальное значение (-В и,) . Прв Н(0 (0,0 - диаграмма Б на фиг.2) импульс генератора проходит через элемент И 40, и счетчик устанавливается в состояние максимального кода (+й х) . Для нормального функционирования цепей установки счетчика время задержки линки 38 должно превьааать длительность импульса 02 Одновременно импульс 0 з поступает на вход 36 релейного элемента 35, устанавливая его в нулевое положение, при котором сигнал неисправности 0 сн отсутствует. По окончании импульса генератора 37, удерживающего счетчик 5 в состоянии максимального илн 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 логичес В ВЙПШЛдщтвосст - ь (1),(024)где Сь - постоянная интегрированияаналого-циФрового интегратора походу восстановления информации, По" ф стоянная ГЬ связана с основной постоянной интегрирования г соотноше- нием Г= - 7Я 2 СН55 где й - сопротивление на основномвходе интегратора.Под действием напряжения 024происходит также заряд конденсатора33 апериодического фильтра 29, ио его выходное напряжение изменяетсяпо законуйзйщ02 е =( И 024 +0 о) (1-ефф )где 06 - начальное напряжение на65 конденсаторе 33; 221 и Нсопро(2),кий элемент И-НЕ 27 переводит пере"ключатель 23 в разомкнутое состояние. При этом блок 19 слеженияхранения переходит в режим хране.ния, в ва его выходе удерживается.выходное напряжение интегратора,предшествующее установке счетчика5 в положение максимального или минимального кода, При срабатыванииблока 24 сравнения происходит замыкание контура отрицательной обрат-ной связи, охватывающей аналогоцифровой интегратор. При надлежащемвыборе сопротивления резистора 25выходное напряжение блока 24 сравнения превалирует вад входным сиг налом 0 вх.,и эа счет глубокой отрицательной обратной связи интегратор достаточно быстро.отрабатывает напряжение 0 п. В результате всчетчике 5 восстанавливается исход ный код, и напряжение на выходесумматора 10 принимает значение,практически равное 02. После этогосигнал на выходе блока 24 сравненияпринимает нулевое значение, переключатель 23 устанавливается в замкнутое положение, . блок 19 слежения-хравения переходит в режим слежения эа выходным напряжением сум- .матора 10, и интегратор продолжаетосуществлять интегрирование входно- ЗЕ го сигнала.Длительность интервала восстановления информации определяетсяпрактически временем, в течениекоторого выходное напряжение сумма- И .тора 10 изменится на величину (0 п)++(0 аал) где (0,Д =Сояс - абсолютная величина напряжения, соответствующая максимальному (Бюаю) илиминимальному (М) коду В течение р времени восстановления Тзосст. конденсатор 45 фильтра 44 заряжается донапряжения 02 на выходе блока 24сравнения. Поэтому время восстанов"ленияТ ЬоссгПю 9 В, С П (3) Подставляя в (3) значение Т ьосст из (1), найдем н апр яжение . на выходе апериодического фильтра в конце времени восстановления(Яи 1 с(х ) +Б и 1Йз, СззЕсли выбрать Нз 1 Сзз=Тв, тоП 19 (ТЬосст,) = (/Пео/+/Ци/)(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 П на выходе блока 26 выделения модуля, в результате чего на затвор полевого транзистора 34 через дифференцирующую цепь 47 поступает отрицательный импульс, открывающий транзистор 34, При этом на входе релейного элемента 35 осущесгвляется сравнение выходного напряжения апериодического фильтра 29 с напряжениями на конденсаторе 45 и на выходе блока 19 слежения-хранения. Напряжение П на входе релейного элемента 35 пропорционально разности(1)39 (Пи+-44Если длительность времени сравнения Тср . в течение которого транзистор 34 открыт, достаточно мала, то за время Тср конденсаторы 44 и тивление резисторов 31 и 32 Г 19постоянная времени Фильтра (Тл =Нз 2 к1 С;), С- емкость конденсатора 33,Благорадя наличию дифференцирующей цепи 47 выходное напряжение блока 26 выделения модуля не поступаетна затвор транзисторного ключа 34,а потому апериодический фильтр 29,Фильтр 44 и блок 19 слежения-хранения отключены от входа релейногоэлемента 35,При .остаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 30 напряжение в его суммирующейточке практически равно нулю и неоказывает влияния на состояние релейного .л.мента 35. В результатев процессе восстановления информации релейный элемент 35 остается внулевом положении,Если постоянная времени апериодического Фильтра 29 ба удовлетворяетусловиям Т 9Т 7 (Т зт - периодгенератора 37) и Тг 9) Т Ьоссттоначальное найряжение У о на конденсаторе 33 равно нулю, и после разло/жениЯ е - ,7, в РЯД пРи с=Т ьосст получим55 еО 65 Отметим, что значительная часть отказов аналого-цифрового интегратора приводит к невозможности восстановления информации в счетчикеПри этом, после прихода импульса генератора 37, изменяющего состояние счетчика 5, на выходах блоков 24 сравнения и выделения 26 модуля длительное время сохраняются постоянные 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 выявления укаэанныхотказов служит 33 не успевают разрядиться; Следовательно,29 (ТСР ) П 29 (Т Ьосст) и Ц 44 (Тср ) = исьПоэтому результирующий сигнална входе релейного элемента 35 в интервале сравнения практически равеннулю (лежит в зоне нечувствительности релейного элемента +), и сигналнеисправности Усы отсутствует,Очевидно, что практически любыенеисправности аналого-цифрового интегратора приводят к изменению егопостоянной интегрирования Гв и на, рушению равенства В Сз -- Гв, что вконечном счете вызывает изменениевремени восстановления информации.1 Я Вследствие этого выходное напряжение апериодического фильтра 29 будет отличаться от значения, определяемого выражением (4), В результате в интервалах сравнения Тср возщ никает разбаланс напряжений на входах релейного элемента 35, что приводит к его срабатыванию и появлению сигнала неисправности с)сн.Благодаря самоблокировке релейного элемента 35 сигнал неисправностиПсн сохраняется до прихода очередного импульса контроля от генератора37. После этого осуществляется сбросрелейного элемента в нулевое состояние и начинается новый цикл контро 30 ля, в процессе которого вновь формируется сигнал Пс, если неисправность остается неустраненной.При случайном сбросе счетчика 5процесс восстановления информации35 происходит так же, как и в рассмотренном выше случае, Поскольку времявосстановления информации при сбоеотличается от значения, определяемого выражением (1), на входе релей 4 О ного элемента 35 по окончании процесса восстановления (при замыканииключа 34) возникает разностное напряжение. Под действием этого напряжения формируется сигнал неисправности, который поддерживается на выходе релейного элемента 35 до прихода очередного импульса генератора37, Однако в отличии от случая неисправности интегратора сигнал Псприслучайном сбое не будет подтверждать 50 с,связь входа релейного элемента 35 с суммирующей точкой апериодического Фильтра 29. Если время действия напряжения О на входе фильтра 29 достаточно велико, то операционный усилитель 30 переходит в состояние насыщения, и в суммирующей точке этого усилителя появляется напряжениепревышающее порог срабатывания релейного элемента 35, сигнализирующего отказ.гТаким 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 813456ля исправности устройства, в неговведены фильтр, дифференцирующая цепь,последовательно включенные апериодический фильтр, ключ и релейныйэлемент, генератор импульсов, линиязадержки, .ограничительные резисторыи два элемента И, первые входы которых подключены к соответствующимвыходам линии задержки, вторые входы элементов И соединены с генератором импульсов и с входом сброса ре" 0 лейного элемента соответственно,а выходы элементов И подключены кшинам установки счетчика, причемвход ключа соединен через последовательно включенные первый ограни чительный резистор и Фильтр с входомапериодического фильтра и выходомблока сравнения и через. второй ограничительный резистор с - выходомблока слежения-хранения, управляю- рО щий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходом блокавыделения модуля, вход линии задержки подключен к выходу старшегоразряда счетчика, а вход релейногоэлемента через третий ограничительный резистор - к суммирующему входуоперационного усилителя.Аналого-цифровой интегратор по автсв, 9507872, отличающ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности результата эа счет обеспечения автоматического контро" Источники информации,принятые во внимание при экспертизеЗО1. Авторское свидетельство СССР9 507 87 2, кл, 6 06 С 7/186, 19 73,(Риг,2 Составитель ов ТехредН у-35, Раушская н писнСР д,4 иал ППППатент ф, г.ужгород, ул,Проектная,4 Закза 775/63 Тир ВНИИПИ Госуда по делам и 11 30 35, Москва,