Устройство для линеаризации нелинейных характеристик

Союз СоввтскикСоциалистическиеРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22)Заявлено 09.03,81 (21) 3256889/18-21 т с присоелинением заявкиГоеудорстееииый комитет СССР(23) Приоритет Опубликовано 07, 10. 82. Бюллетень37Дата опубликования описания 07. 10. 82 па делам изобретений и открытий. .1,й 1 +.1 теаичеьАЙКиевский институт автоматики им. ХХЧ съез а КПЯ(5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕАРИЗЯЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК1Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано, например, для линеаризации характеристик интерференционных и других датчиков, описы- ваемых синусоидальной или косинусо 5 идальной зависимостью.Известен функциональный преобразователь, содержащий генератор импульсов с источником опорного напряжения, 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 тол ько квадрати чные составляющие от преобразуемого го параметра.Наиболее близким техническим решением является устройство для линеаризации нелинейных характеристик,содержащее управляемый генератор им.пульсов, к задающему входу которогоподключен источник опорного напряжения, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с входом устройства, а выход является выходомустройства, первый источник компен"сирующего напряжения, выход которого подключен к первому входу первогосуммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым управляющимвходом генератора импульсов, квадратор, второй суммирующий усилитель,блок извлечения квадратного корня ивторой источник компенсирующего напряжения, выход ко 1 орого подключенк второму входу второго суммирующегоусилителя, вход устройства черезквадратор связан с первым входом второго суммирующего усилителя, выходкоторого через блок извлечения квадратнбго корня связан с вторым входом первого суммирующего усилителя 21.9611659 1 О 55 3Недостатком известного устройства является низкая точность линеаризации входных синусоидальных и косинусоидальных сигналов, обусловленная нелинейностью зависимости, воспроизводимой устройством при линеаризации синусоидального входного сигнала (зависимость 1 на фиг. 2) Г (=ГО+К(1+5и х-со 5 х)(1) где К - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами генератора импульсов;Го - нулевая частота;х - преобразуемый параметр,и зависимости Г=Го+К(1+со 5 хп х) (2) при линеаризации входного косинусоидалвного сигнала (зависимость 7 а,76 на фиг. 3).При этом нелинейность составляет2,14 в диапазоне изменения преобра"зуемого параметра от 0 до - радианЛпо отношению к идеальной прямой преобразования. Характеристика (1) (зависимость 1 а и 1 б на фиг. 2) имеет-образный характер,Целью изобретения является повышение точности линеаризации входныханалоговых сигналов.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство дпя линеаризации нелинейных характеристик, содержащее генератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход генератора импульсов является выходомустройсТва первый управляющий входгенератора импульсов соединен с выходом первого суммирующего усилителя,первыи вход которого соединен с выходом первого источника компенсирующего напряжения, второй вход через блокизвлечения квадратного корня соединен с выходом второго суммирующего,усилителя, первый вход которого подключен к выходу второго источникакомпенсирующего напряжения, второйвход через квадратор соединен с входом устройства, введены третий и чет вертый суммирующие усилители, триключевых элемента и компаратор, причем первый вход третьего суммирующего усилителя соединен с входом устройства, второй вход третьего суммирующего усилителя соединен с выходомблока 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 второгок выходу первого источника компенсирующего напряжения, информационный вход третьего - к выходу блока извлечения 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 управляющему входу генератора импульсов, выход второго ключевого элемента соединен с третьим входом первого суммирующего усилителя, четвертый вход которого соединен с выходом третьего ключевого элемен та.Введение этих блоков повышает .точность преобразования за счет енижения погрешности нелинейности, которое обеспечивается вырабатыванием по от= ношению к известному, дополнительных корректирующих сигналов 5 п(х+ в )- со 5(х+4 ) на участке преобразованияЛ4 в пределах Ох-"и 2+51 п(х- )- со 5 (х- - ) в пределах изменения-"х- , и их алгебраическим суммированием с сигналом 1+51 п х-со 5 х, характерным для известного устройства.Так как знаки изменения чувствительности преобразования известного устройства разные в диапазонах 0хс Л Я д4 и 4х с 2 Ф то в предлагаемом устройстве нелйнейность с возрастающей чувствительностью известного устройства в диапазоне 0 с хф(зависимость 1 а на фиг. 2) компейси" руется дополнительным смещением зависимостии 1+ы и х- со 5 х из вест ного устройства (зависимость 1 б на фиг.2)- характеризующейся нелинейной зависимостью с убывающей чувствительностью, на 4 (зависимость М на фиг.2) по оси преобразуемого параметра х и (-1) по оси ординат Ч, и последующим их суммированием (результирующая зависимость 3 на фиг. 2),Таким образом, частота на выходе генератора в диапазоне изменения 0 с х -определяется выражениемЯ4хГ =1+5 и х со 5 х+5 п(х+ - )-со 5(х+5 9646Линеаризация известной зависимости 1+5 п х-со 5 х в диапазоне в . хЯ Я42 (зависимость 16 нафиг. 2) осуществляется сдвигом этой же зависимости на (- - ) по оси преобразуемого пара" 54метра (смещена ветвь 1 а в сторону опережения на (- - ") - зависимость 9 на фиг. 2) и на ("1) по оси ординат, и последующим суюерованием (зависимость 6 на фиг. 2) со смещением на 1 ф 2"-кратный единичный сигнал (зависи мость 3 на фиг. 2).В данном. диапазоне изменениял л. Адля - х(Ь) 23Введение последовательно соединенных третьего суммирующего усилителяи .компаратора, подключение двух входов третьего суммирующего усилителя.к входу устройства и выходу блока извлечения квадратного корня позволяет получить релейный сигнал.на вы ходе компаратора, равный нулю при изменении 0х- и преобладании косинуЛсоиды над синусоидой и равный еди- Зф4 2нице - при "-хи преобладании синусоиды над косинусоидой.Релейный сигнал компаратора изменяет коэффициенты передачи первогои четвертого суммирующих усилителей, 46а также изменяет начальное смещениена первом суммирующем усилителе всоответствии с их неоЬходимыми значениями для выполнения выражений преобразования (5) - для 0х , и (6)-45 для,хЛинеаризация входных косинусоидальных аналоговых сигналов осуществляется аналогично. При этом частотана выходе генератора импульсов определяется выражениемЯЛ х=Г =3+со 5 хп х+со 5(х )-5 п(х"4.l( Л4Для обеспечения этого режи(а входы .подключения к третьему суммирующемуусилителю (входа устройства и выходаЬлока извлечения квадратного корня)меняют местами.На фиг. 1 приведена блок-схемаустройства; на фиг. 2,и 3 " графические зависимости, отоЬражающие этапылинеаризации соответственно входно- .го синусоидального и косинусоидаль"ного аналоговых сигналов.Устройство содержит генераторимпульсов, выход 2 которого являетсявыходом устройства, вход устройства3, источник 4 опорного напряжения,первый источник 5 компенсирующегонапряжения, первый суммирующий усилитель 6, квадратор 7, второй сум-.мирующий усилитель 8, Ьлок 9 извлечения квадратного корня, второй источник 10 компенсирующего напряжения, третий и четвертый суммрущиеусилители 11 и 12, компаратор 13, первый, второй, третий ключевые элементы 14, 15 и 16,На фиг2 обозначены 1 а и 1 бвыходная характеристика преоЬразования выходного аналогового синусоидального сигнала в частоту импульсовизвестного устройства, 2 - идеальная характеристика преобразования известного устройства, 3 - выходная характеристика преобразования входного. аналогового синусоидального сигнала в частоту. предлагаемого устрой. -ства 4 - смещенная ветвь 1 б на4по оси преобразуемого параметра 5- Ф.смещенная ветвь 1 а на ( ) по оси4преобразуемого параметра; 6 - суммазависимостей 1 б и 1, при смещении зависимости 1 б - 1 по оси ординат;Г -Го - приращение частоты при лине"аризации по известному устройству;Г 2"Г - приращение частоты при.линеаризации по предлагаемому устройству.На фиг. 3 обозначены 7 а и 7 б - выходная характеристика преобразованиявходного аналогового косинусоидаль"ного сигнала в частоту известногоустройства 8 - выходная характеристика преобразования входного коси,ыусоидального аналогового сигналапредлагаемого устроства; 9 - смещенная ветвь 7 а на (- в ), по оси преобразуемого параметра; 10 - смещенная ветвь 7 б на (+-1-) по оси преобра 4зуемого параметра.7 9646Устройство работает следующим об.р азом.При воздействии входного аналогового сигнала, соответствующего преобразуемому параметру, на второй уп" 3равляющий вход генератора 1 импульсов через четвертый суммирующий усилитель, частота на его выходе изменяется на величину, пропорциональнуювходному сигналу относительно опор-,ной частоты Га, задаваемой источником 4, которым устанавливают начальный уровень дозаряда .емкостей управляемого генератора 1 и чему соответствует частота Г генератора 1 1при значении преобразуеиого параметра х=О. Цепь коррекции, состоящая изблоков 7- 1 О, вырабатывает первый корректирующий сигнал О = 1 - Ю (Х)по о2ступающий с выхода первого суммирующего усилителя на первый управляющий вход генератора,При синусной характеристике входного датчика первый корректирующий фсигнал соответствует зависимостисов х, а при косинусной характеристике - зависимости з)п х.Совместное воздействие входногои корректирующего сигналов на управ- ЗОляющие входы генератора формируетчастотную характеристику, связывающую частоту импульсов с преобразуемым параметром по отношению к частоте Г или вида (1) (зависимость З1 а и 1 б на Фиг. 2), при линеаризации синусоиды, или вида (2) при косинусоиде (зависимость 7 а и 76 нафиг. 3), по аналогии с известнымустройством . 40Одновременно входной синусоидал ьный сигнап поступает на первый входтретьего суммирующего усилителя 11,на второй вход которого поступаеткосинусоидальный сигнал из блока 9извлечения квадратного корня, В диапазоне изменения О х4 косинусоиЛдальная составляющая больше синусоидальной и на выходе усилителя 11отрицательное напряжение, т.е. меньше нулевого напряжения общей шины,подключенной к второму входу компаратора 13, и на выходе компаратораустанавливается сигнал, равный логическому нулю, Этому состоянию компаратора 13 соответствует нормальнозакрытое состояние ключевого элемен"та.14 и нормально открытые. состояния элементов 15 и 16,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 входномусигналу, поступающему через четвертый суммирующий усилитель 12 (еговторой вход), подключается дополнительная часть входного сигнала,1,4142 з 1 п х (второй вход усилителя12), а их совместное воздействиеприводит к зависимости частоты навыходе генератора 1 от преобразуемого параметра в соответствии с выражением (5) или, что эквивалентно,с выражением (3)В диапазоне изменения -х-Л Л41сину сои дал ьная составляющая преобла"дает над косинусоидальной, напряжениена выходе усилителя 11 положительно, компаратор переходит в единичноеустойчивое состояние. При этом второ"му управляющему входу генераторачерез усилитель 12 подключен тольковходной синусоидальный сигнал, а .кпервому управляющему входу генератора 1 через усилитель 6 подключен до"полнительно сигнал 1,4142 сов х и2"-кратный единичный сигнал, равный сумме квадратов входного сигнала и сигнала на выходе блока 9. Частота на выходе генератора 1 определяется выражением(6) или, что эквивалентно выражением .(4),При х=-", сигнал на выходе коипаратора равен или нулю или единичному состоянию, но частота на выходегенератора 1 равна Г,При линеаризации входных косинусоидальных сигналов на вход 3 устройства поступает косинусоидальныйсигнал, а с выхода блока 9 снимаютсинусоидальный,Для обеспечения режима линеаризации по выражению (7) при 0х-М:и выражению (8 ) при Лх4 входныесигналы третьего суимирующего усилителя меняют местами, чем достигаютсрабатывания компаратора 13 в диапазоне 0хи его возврат в нулевое состояние при 4 4 хТехнико-экономический эффект заключается в повышении при 2"-кратномувеличении чувствительности в 9- 10раз точности преобразования аналоговых входных сигналов, содержащихсинусные и косинусные зависимостиот преобразуемого параметра,Общая нелинейность частоты на выходе устройства от преобразуемогопараметра, в пределах его измененияот 0 до врадиан, не превышает 0,24.5Формула изобретенияУстройство для линеаризации нелинейных характеристик, содержащее ге нератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход генератора импульсов является выходом устроиства, первый управляющий вход генератора им- Ю пульсов 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чтд, с целью повышения точности линеаризации, в устройство введены третий и четвертый суммирующие усилители, три ключевых элемента и компаратор, причем первый вход третьего суммирующего усилителя соединен с входом устройства, второй вход третьего суммирующего усилителя соеЭ 5 динен с выходом блока извлеченияквадратного корня, выход третьегосуммирующего усилителя подключен кпервому входу компаратора, второйвход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход соединенс управляющими входами первого, второго и третьего ключевых элементов,информационный. вход первого из которых подключен к входу устройства,информационный вход второго - к вы"ходу. первого источника компенсирующего напряжения, информационный входтретьего " к выходу блока извлечения квадратного корня, выход первогоиз ключевых элементов подключен кпервому входу четвертого суммирующего усилителя, второй вход которогосоединен с входом устройства, выходчетвертого суммирующего усилителяподключен к второму управляющему входу генератора импульсов, выход второго ключевого элемента соединен стретьим входом первого суммирующегоусилителя, четверТый вход которогосоединен с выходом третьего ключевого элемента. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 713328, кл. 6 06 6 7/26, 1978.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке 1 Р 28777849/18-24,кл. С 06 0 7/26 (прототип).964659 Фиг. 7 аказ 7632/30 Тираж ИПИ писн иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная