Устройство усреднения

 

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 , отличающееся тем, что, с целью повышения точности в широком диапазоне температур, в liero введены триггер, первый вход которого соединен с управляющим входом устройства, последовательно соединенные 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 компарато- Щ ра, управляющие входы элемента памяти , первого и второго экспоненциаль-/Л ного преобразователей соединены с выходом триггера, входы второго экспоненциального преобразователя и второго интегрирующего усилителя яв-G ляются входом опорного напряжения устройства.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1100713 А

3(51) Н 03 Н 11 54

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3561269/18-09 (22) 11.03.83 (46) 30.06.84. Бюл Р 24 (72) В.A.Ìåäíèêoâ и A.H.Ïoðûíoâ (7l) Куйбышевский ордена Трудового

Красного Знамени авиационный институт им, акад. С.П.Королева (53) 681.332.35 (088.8) .(56) 1.Авторское свидетельство СССР

9 568150, кл. Н 03 Н 7/Ol 1978.

2.Справочник по нелинейным схемам.

Под ред. Д.Шейнголда, М., Мир, 1977, с. 116-117, рис. 2.3.12 (про:тотип) . .(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 точности в широком диапазоне температур, в hего введены триггер, первый вход которого соединен с управляющим входом устройства, последовательно соединенные 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 компарато- Я ра, управляющие входы элемента памяти, первого и второго экспоненциального преобразователей соединены с выходом триггера, входы второго экспоненциального преобраэователя и второго интегрирующего усилителя яв-р ляются входом опорного напряжения устройства.

11ОО713

Изобретение относится к радиотех нике и измерительной технике и может быть использовано для сокращения объема данных в установках технической диагностики по спектральному составу шумов и вибраций режимов

5 работы различных промышленных объектов, а также в медицине при измерении среднего давления крови в течение каждого сердечного цикла, определении среднего выдыхаемого объема 10

СО в каждом дыхательном цикле и т.д.

Известно устройство усреднения, содержащее N последовательно включенных Г-образных звеньев РС -фильт- 35 ров нижних частот с управляемой постоянной времени, регулирующими эле- ментами которых являются полевые транзисторы, сопротивления которых определяются блоком управления Г 1 3 . 20

Однако в известном устройстве велика постоянная времени переходного процесса при переходе от одного уровня сигнала к другому, что является причиной его недостаточногo быстродействия.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является 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 управ- ляющим вхбдом устройства, и делитель, входы. которого соединены с выходами первого и второго интегрирующих усилителей, а выход соединен с входом блока выборки и хранения 123 . @

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная погрешностью делителя аналого,вых величин, обладающего в реальных устройствах низкой точностью деления 45 и малым динамическим диапазоном входных величин. Известному устройству присуща низкая температурная стабильность, обусловленная применением в нем блока аналогового делителя на 50 нелинейных элементах.

Цель изобретения — повышение точности в широком диапазоне температур„

Поставленная цель достигается тем, что в устройство усреднения . р 5 Г содержащее блок выборки и хранения, выход которого является выходом устройства, первый интегрирующий усилитель, вход которого является входом устройства, второй интегрирующий уси.литель, управляющие входы первого и второго интегрирующих усилителей являются управляющим входом устройства, введены триггер, первый вход которого 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 напряжения устройства.

На фиг, 1 представлена структурная электрическая схема предложенного устройства усреднения;ка фиг.2 (с(, б, 8, а, д, е, ж, з, и J — эпюры напряжений, поясняющие работу устройства усреднения.

Устройство усреднения содержит первый интегрирующий усилитель 1, содержащий усилитель 2, конденсатор

3 и резистор 4, ключ 5, второй интегрирующий усилитель б,содержащий усилитель 7,конденсатор 8 и резистор 9, ключ 10, триггер 11, первый экспоненциальный преобразователь 12, содержа" щий конденсатор 13 и резистор 14, ключ 15, второй экспоненциальный преобразователь 16, содержащий конденсатор 17, ключ 18 и резистор 19, компаратор 20, блок 21 выборки и хранения, элемент 22 памяти, содержащий ключ 23 и конденсатор 24, источник 25 опорного напряжения. устройство работает следующим образом.

Работа устройства состоит из двух стадий: подготовительной и стадии преобразования напряжения.

На подготовительной стадии интегрируются входное (фиг.2a) и опорное напряжения в первом 1 и втором 6 интегрирующих усилителях соответст венно. В конце подготовительной стадии выходное напряжение второго интегрирующего усилителя 6 и напряжение источника 25 используются при подготовке первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей соответственно к стадии преобразования напряжений.

На стадии преобразования напряжений выходные напряжения первого 12 и второгo 16 экспоненциальных преобразователей изменяются по экспоненциальному закону до момента сравнения выходного напряжения первого экспоненциального преобразователя 12 с выходным напряжением элемента 22 памяти.

1100713

В момент времени равенства вы« ходных напряжений первого экспонен,циального преобразователя 12 и элемента 22 памяти срабатывает компаратор 20, на выходе которого. в момент срабатывания появляе"ся короткий импульс (фиг. 2е), поступающий на вторые входы триггера 11 блока 21 выборки и хранения, который в .момент времени 1 Фиксирует величину выход. ного напряжения второго экспоненциального преобразователя 16, являющуюся результатом измерения среднего значения входного сигнала V за

5 время усреднения Т, и сохраняет его в виде напряжения в течение последующего времени (времени следующей подготовительной стадии и стадии преобразования) до новой выборки (фиг.2 )- .

Триггер 11 в момент 1 импульсом компаратора 20 взводится„ при этом

erq выходное напряжение соответствует уровню логической единицы (фиг.2ж)

Ключи 15, 18 и 23 замыкаются, в результате чего выходные потенциалы первого 12 и второго 16 экспоненциальных преобразователей и элемента!

22 становятся равными выходным напряжениям соответственно источника 25 и первого 1 и второго б интегрирующих усилителей, обеспечивая тем самым формирование подготовительной стадии к новому циклу измерения..

Можно показать, что величина напряжения, зафиксированная и хранимая блоком 21 с момента времени является вычисленным значением постоянной составляющей переменного напряжения Ч при условии ь=7„, (>) что вытекает из следующего.

В момент. 11 напряжение V на выхо е д элемента 22 (на конденсаторе 24) г равно величине интеграла напряжения

V поступающего с выхода первого интегрирующего усилителя 1, за время усреднения Т к Т

Ч = — Ч сИ= Vdt=KV

22 Т2 5 Т2 5 1И н о где 1„ — момент времени прихода предыдущего синхроимпульса t,. — постоянная интегрирования первого интегрирующего усилителя 1, определяемая выражением Т = Р, С, в котором R величина сопротивления масштабного резистора 4, а с — величина емкости конденсатора 3; — коэффициент пропорциональ1

1 ности, Ч

5 о

В качестве начального напряжения первого 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. !О

Более подробно работу устройства рассмотрим начиная с подготовительной стадии с момента времени t (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 ключи

15, 18 и 23 замкнуты отчего напряI 20 . 1кения на выходе первого интегрирующего усилителя 1 и на выходе элемента 22 памяти одинаковы и пропорциональны интегралу входного напряжения ействующего (присутствующего) иа входе устройства. A напряжение на выходе второго интегрирующего усилителя 6 и на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 равны и изменяются по линейному закону.

В момент времени С1 На управляющий вход устройства приходит очередной синхроимпульс Т; (Фиг.2411 êîторый сбрасывает триггер ll — устанавливает его в положение, при котором напряжение íà его выходе соот- З5 ветствует уровню логического нуля (фиг. 2ж) .

При этом с момента „ 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 s,z ).

С момента t напряжение иа выходе первого экспоненциального преобразо- . вателя 12 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени

i=R С (1)

11 13 где R1+- величина сопРотивления резистора 14;

С1 - величина емкости конденсатора 13 (Участок к-л на Фиг.2ä) 55

С этого же момента времени 1„ иа дряжение на выходе второго экспонен-. циального преобразователя 16 изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени

==R

„qC„„, (z} где R„> — величина сопротивления резистора 19;

С„, — величина емкости конденсато ра 1 7 (участок и-н на фиг. 2з) 65

1100713

К V

1ь(ь= ) оп сн+т

Оп

u-- — u ь =

t 3 9

t (6) =4 Т

Мп, 36(t=< ) оп

15 и сохраняется с момента Ф в течение последующего времени.

Напряжение 0„ на выходе первого экспоненциального преобразователя 12 .(на конденсаторе 13), равное напряжению, поступающему с выхода второго интегрирующего усилителя 6 в,момент

+1, определяется величийой где Uoo — величина напряжения опорного источника 25; — постоянная интегрирования второго интегрирующего.усилителя 6, определяемая выражением Ф> R C в котором К вЂ” величйна сопротив9 ления масштабного резистора 9, à C9 - величина емкости конденсатора 8;

= †" — коэффициент пропорциональ2 ности.

С момента Д„ напряжение на выходе первого экспоненциального.преобразователя 12 изменяется.по закону. (t-t ) 0e2(t>t ) 2Те, (7) а на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 — согласна выражению (t-t„) о„,(, - u e . (81

В момент 12 напряжения на входах ком аратора 20 сравниваются

t (2 4 (2 1} а напряжение на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 к моменту 17 достигает. величины (с,- а,) =0 е " . (

1ь(1 ) on

Так как время работы второго экспоненциального преобразователя 16 может быть определено из выражения (9) как

Ч22 К1 Чь 2 „=-ТЬ =-76n . i (n)

К Т 7 то напряжение, до которого успевает разрядиться конденсатор 17 экспонен циального преобразователя 16, будет равно согласно выражению (10) величине

При выполнении условия выходное напряжение второго экспоненциального преобразователя 16 определяется-согласно

Так как Vq определяется выражением (5), а

К

LI " -oL, (М)

Оп К

Т () — — М Ю. (а 1

О

Отсюда следует, что напряжение на выходе второго экспоненциального преобразователя 16 в момент t2, выбранное в этот момент блоком 21 выборки и хранения (например, вольтметром мгновенных значений) и сохраняЗ5 ющееся в последнем до новой выборки (фиг.2è), пропорционально выделенной постоянной составляющей переменного напряжения К за время усреднения т . При этом постоянный множитель в выражении (15) является масштабным коэффициентом.

Таким образом, болЕе высокая температурная стабильность предлагаемого устройства обеспечивается благо45 даря выделению постоянной направляющей переменных напряжений без применения аналогового делителя, выполненного в прототипе на нелинейных элементах. В предлагаемом устройстве выделение постоянной составляющей переменных напряжений выполняется на блоках, температурная нестабиль- . ность .которых существенно изменяет выходной результат. В сравнение с прототипом повышение точности выделения постоянной составляющей пере-: менных напряжений (т.е. повышение точности измерения средних значений исследуемых сигналов) в предлагаемом устройстве также связано с выделени6О ем постоянной составляющей переменных напряжения без применения аналогового делителя, а следовательно, и без погрешности деления, достигающей в прототипе существенной вели65 чины.

l100713

1100713

Заказ 4595/42

Тираж 862 Нодписное

ВНИИПИ 1 осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д.4/5 филиал НПН . . Патент, г,Ужгород, ул.Проектная,4

Составитель Н.Мельников

Редактор Л.Алексеенко Техред M. Кузьма Корректор И,Муска