Устройство для логарифмирования отношения сигналов

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться в фотометрах и спектрофотометрах . Устройство измеряет логарифм отношения (ЛО) сигналов, при этом время измерения не зависит от знака ЛО, а автоматическая компенсация нестабильностей элементов устройства выполняется в ходе цикла измерения . Работа устройства основана на экспоненциальном законе разряда емкости через активное сопротивление. Входной сигнал предварительно интегрируется интегратором, затем его емкость разряжается от полученного уровня и 1 до некоторого уровня U, а время разряда измеряется с помощью счетчика и тактового генератора. После установки устройства в начальное состояние второй сигнал также интегрируется и емкость вновь разряжается от уровня и до и. ЛО вычисляется в микропроцессорном блоке управления как разность этих времен разряда. В процессе второго разряда в устройстве дополнительно фиксируются моменты прохождения напряжения на конденсаторе через уровни К и К/16, где К - калибровочный уровень. Время между этими моментами, пропорциональное Ig 1/16, используется для вычисления поправочного коэффициента, на крторый умножается выходная величина ЛО. 4 ил. (О сл сл о О5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 С 06 G 7/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А 8TOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3980446/24-24 (22) 20.11.85 (46) 30.03.87. Бюл. № 12 (7 1) Специальное конструкторско-технологическое бюро специальной электроники и аналитического приборостроения СО АН СССР (72) Ю.А.Болванов и В.С.Иутин (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельствб СССР

¹ 11!2374, кл. С 06 С 7/24, 1982 г.

Авторское свидетельство СССР № - 1112375, кл. G 06 G 7/24, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОГАРИФШРОВАНИЯ

ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться в фотометрах и спектрофотометрах. Устройство измеряет логарифм отношения (ЛО) сигналов, при этом время измерения не зависит от знака ЛО, а автоматическая компенсация нестабильностей элементов устройства выполняется в ходе цикла изме„„SU„„1300506 A 1 рения. Работа устройства основана на экспоненциальном законе разряда емкости через активное сопротивление.

Входной сигнал предварительно интегрируется интегратором, затем его емкость разряжается от полученного уровня U, до некоторого уровня U a время разряда измеряется с помощью счетчика и тактового генератора. После установки устройства в начальное состояние второй сигнал также интегрируется и емкость вновь разряжается от уровня U po U. ЛО вычисляется в микропроцессорном блоке управления как разность этих времен разряда. В процессе второго разряда в устройстве дополнительно фиксируются моменты прохождения напряжения на конденсаторе через уровни К и К/ 16, где

К вЂ” калибровочный уровень. Время между этими моментами, пропорциональное

1g 1/16, используется для вычисления поправочного коэффициента, на который умножается выходная величина ЛО. 4 ил.

1 13

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для использования в электроиэмерительных и информационно-измерительных установках различного назначения, в частности в фотометрах и спектрофотометрах.

Целью изобретения является сокращение времени измерения и выравнивание времен измерения в случае знакопеременной выходной величины.

На фиг.1 изображена функциональная схема предложенного устройства, на фиг.2 — временная диаграмма его работы для случая, когда отношение сигналов больше единицы (логарифм положительный); на фиг.3 — то же, когда отношение сигналов меньше единицы (логарифм отрицательный); на фиг.4 — блок-схема алгоритма работы блока управления и устройства в целом.

Устройство (фиг.1) состоит из усилителя 1 с регулируемым коэффициентом передачи, связанного с ним цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 2 и интегратора 3. Выход интегратора 3 соединен с входом компаратора 4, на второй вход которого подключен выход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5, а выход признака равенства компаратора 4 связан с входом запуска счетчиков 6 и 7 и входом внешних прерываний блока 9 управления. На счетные входы счетчиков 6 и 7 поступают тактовые импульсы с блока 9 управления. Кроме этого, выход усилителя i соединен с входом компаратора

8, на второй вход которого подается: опорное напряжение U „,,а выход признака равенства связан с входом внешних прерываний блока 9 управления.

Блок 9 управления обеспечивает управление ключами, ЦАП и счетчиками, вьдает цифровой код на ЦАП, получает информацию от компараторов и счетчи— ков. Он состоит из центрального процессора (ЦП) 10, тактового генератора 11, системного контроллера 12, буфера и дешифратора 13 адресов, оперативного 14 (ОЗУ),и постоянного 15 (ПЗУ) запоминающих устройств. Управляющие сигналы на операционную часть устройства передаются через универсальный интерфейс 16 вводы-выводы, через такой же интерфейс 17 вьдается результат измерения, Информация об изменении состояния компаратора передается в ЦП 10 через контроллер 18 прерываний, через который все устрой00506 2 ство синхронизируется частотой 50 Гц питающей сети по сигналам, поступающим от формирователя 19. Системный контроллер 12, буфер и дешифратор 13 адресов выполняют роль согласователей общей шины и входных и выходных сигналов.ЦП 10.

Входы ключей 20 и 21 являются первым и вторым информационными входами устройства. Выход усилителя i с регулируемым коэффициентом передачи через ключ 22 подключен к входу интегратора

3, в состав которого входят масштабный резистор R„, интегрирующий конденсатор С, времязадающий резистор

R, ключ 23 сброса интегратора, ключ

24 разряда интегратора и операционный усилитель 25.

Работа устройства иллюстрируется

2р фиг.2 и 3, где: — тактовая частота

50 Гц; 8 — сигнал на выходе интегратора; б — сигналы на выходе ЦАЛ 5;

2 — сигнал включения ключа 22; игнал включения ключа 23; е — сигнал включения ключа 24; — разрешение работы счетчика 7; — разрешение работы счетчика 6.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

30 ЦП 10 работает по программе, хранящейся в ПЭУ 15. Работа блока 9 управления через контроллер 18 прерываний синхронизирована с частотой питающей электрической сети 50 Гц, что позволяет добиться максимального подавления помех, имеющих частоту 50 Гц или кратную ей. До момента, блок управления через ЦАП 2 и компаратор 8 устанавливает такой коэффициент передачи 0 усилителя 1, чтобы уровень сигнала

Ч, условно принятого за опорный, на

ere выходе был равен опорному напряжению U,„ . Это необходимо для того, чтобы основная измерителвная часть устройства работала в оптимальном режиме. Перестройка коэффициента передачи осуществляется па принципу поразрядного уравновешивания (кодирования), т.е. сначала включается старший

50 разряд ЦАП, о рВ3НосТН напряжении на выходе элемента 1 и U компаратор сигнализирует через контроллер 18 прерываний в ЦП 10, последний принимает решение о старшем разряде и под55 ключает сле (ующий разряд ЦАПа и т.д.

В дальнейшем полученный код сохраняется, тем самым неизменным сохраняется и коэффициент передачи усилителя 1.

3 130050

После этого по сигналам с интерфейса 16 ключи 20 и 22 замыкаются, 21j 23 и 23 34 — размыкаются и в течение времени t — - t интегратор ин2 тегрирует входное напряжение V,. К моменту, когда размыкается ключ

22 и интегратор 3 переходит в режим хранения, напряжение на его выходе равно

10 н

t х2 T и (6) Этот код считывает ЦП 10 и он вычисляет величину

N =

Т„ (7) .

v = — — - v .(t. — t ). инт! R С 1 2 !

За время t — tз блок 9 управления, ЦАП 5 и второй компаратор 4 осуществляют аналого-цифровое преобразование этого напряжения, реализуя алгоритмы поразрядного уравновепмвания как в первом случае. ЦП 10 вычисляет величину 3/4 от полученного результата Р, и этот код выдает на ЦАП 5. Та-2р ким образом, на вход компаратора подается напряжение

V „= 3/4 V«,, (2)

В момент t включаются ключ 24 и счет-25 э чик 7, напряжение на емкости интегратора падает по экспоненциальному закону, пока не сравняется в момент с напряжением Ч, „,. В это время счетчик прекращает счет тактовых импуль- 30 сов. Время разряда емкости t„< опреI деляется выражением

-R С In ™".1- ° (3) х! 3 2 Ч„

За это время в счетчик 7.поступит

N Ä импульсов тактовой частоты

Х!

4

V„„,2 преобразуется в цифровой код

Р2. Этот код в ЦП 1О сравнивается с константой Я, и, если P > Q, то код, равный величине О,, выдается на ЦАП

5, при этом на вход компаратора 4 с него подается напряжение Чоо. В момент t „ включается ключ 24 и емкость интегратора начинает разряжаться, в этот же момент включается счетчик 7.

Когда напряжение на емкости сравняется с напряжением Ч, срабатывает компаратор 4 (момент t ) и по его сигналу включается счетчик 6, а блок управления выдает на ЦАП 5 код 3/4

Р, т.е. на входе компаратора 4—

1 напряжение V„,„„, . В момент t компаратор 4 зафиксирует момент равенства напряжений на своих входах и счетчик

7 останавливается. Время его счета равно времени разряда конденсатора от напряжения Ч„„ до V „„, или

t 2= t t = R C In ° (5)

Ч о!и!!.! л2 9 7 2 V т

За это время счетчик насчитает М„ импульсов, а именно

N — N = — (t — С ) 1 х2 "1 T !12 х1 и (In А22»а- In !2 )

v v

Ч инт. 2 Ч !!!1т. 2

Ч (t — t )

1 !

1>т Я С 2 б 5

1 — v.(t — t ) 1

RС! так как (иб б ) (1-я t ), В момент

t ключ 22 размыкается и напряжение (4) Х!

xi Т. и

40 где T„ период следования импульсов тактового генератора 11 блока 9 управления.

Величина N считывается со счетчика

Х1

7 и запоминается в блоке 9 управления, а счетчик 7 обнуляется.

К моменту С интегратор 3 приводится в исходное состояние ключом 23, а во время t - t интегрируется второй входной сигнал. К моменту нап-5р ряжение на выходе интегратора 3 равно

После преобразований и подстановки величин V„„,, и V,2 получим

R2C

Н = — — 1п -

° х Т„V2 Ф т.е. искомую величину, так как V < V

> величина Х» положительна.

За время t — t„, ЦП 10 выдает на

ЦАП 5 новый код 0 „, равный 1/16 (1 т.е. на вход компаратора подается напряжение U = 1/16 Ч2 . В момент

Фк а й„ вновь наступает равенство напряжений на входе, и компаратор прерывает работу счетчика 6, который работал время t = t — t . Так как это

К 10 а время равно времени разряда от напряжения Ч@ до Ч,, то

4 k

t„= -R С In - к = -R .С.In 1/16.

V а0 (9) Ю0506 откуда

N.Ь

7п 16

V„

In-Ч (12) N = — М .1п - Ч

Ч (13)

5 1

Счетчик 6 за это время насчитал Ь к импульсов, а именно

N = - = — — — In 1/16 (10)

R, С

Т, Т в

К, С N N„

2 к (11)

Т In 1/16 In 16

Подставляя это выражение в формулу

8, получим т.е. величину, не зависящую от значе- 15 ний времязадающих параметров R, R

С и Т„.

В соответствии с этим после момента t« 1III 10 вычисляет поправочный коэффициент М = -- — —, после чего

Ng

1п 16 получается выходная величина

Таким образом, в результате автокалибровки, которая выполняется в то же время, что и собственно измерение, получается результирующий код, не зависящий от воздействия дестабилизации 30 факторов (температуры, старения и пр.) на времязадающие цепи.

Отметим, что в момент „ код 3/4 Р сравнивается с величинами Q, и Q„ в случае их примерного равенства калиб- 35 ровка запрещается, так как моменты (8, t ) или t9 j „ попарно сближают. ся, что может привести к неоднозначности работы схемы. В случае, если

Я > 3/4 Р» калибровка также запрещается и в расчетах участвует старый калибровочный коэффициент.

В случае, когда V, Ч, т.е. результат преобразования в соответ-. 45 ствии с (7) получается отрицательным, устройство работает аналогично описанному. На фиг.3 показан случай, когда 3/4 Р, примерно равно О, и. калибровка запрещена. Кроме этого, ког- 50 да величина 3/4 Р, равна или превосходит величину P,,(это анализируется в момент t„) измерение вообше не производится, так как величина к2 в (5} в этом случае принимает отрицательное значение. В таком случае результату присваивается максимально возможное отрицательное значение.

Если же величина 3/4 Р, близка к нулю, измерение также не производится, так как при этом время t„ (5) стремится к со и результату присваивается максимальное значение.

Полученный результат через интерфейс 17 передается на выход устройства, причем отрицательное значение выдается в виде абсолютной величины со знаком. После выдачи результата работа устройства повторяется.

Как было указано, блок 9 управления работает по программе, хранящейся в ПЗУ. Блок-схема программы соответствует алгоритму работы устройства, приведенному на фиг.4, за тем исклю чением, что во время интегрирования (t„ — t. ) или приведения устройства в исходное состояние (t, — t,) и в некоторые другие моменты ЦП 10 не выполняет активных действий и находится в состоянии Стоп" — в ожидании прерывания, которое приходит либо по сиг-! налам 50 Гц.„ либо про сигналам с компараторов. Отметим, что в моменты з в „ прерывания от компаратора 4 маскируются, в другие моменты времени маскируются прерывания от компараторов 8.

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется сокращенным циклом работы, так как период автокалибровки совмещен с собственно преобразованием, .и оно работает по сокращенной единой программе независимо от того, больше или меньше единицы отношение входных сигналов, т.е. Ари знакопеременной выходной величине.

Предлагаемое устройство может иметь отрицательный диапазон (до 7080% от положительного), однако коэффициент 3/4 в формуле (2), определяющий величину отрицательного диапазона (10%), выбран из соображений оптимальных режимов работы элементов, влияющих на погрешности преобразования, Формула изобретения

Устройство для логарифмирования отношения сигналов, содержащее три ключа, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, интегратор, первый компаратор, первый и второй счетчики и блок управления, причем информационные входы первого и второго ключей являются первым и вторым информационными входами устройства

l300 выходы первого и второго ключей подключены к информационному входу усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход которого подключен через третий ключ к информационному входу интегратора, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, выход признака равенства которого подключен к входу запуска первого счетчика, выход которо-f0 го подключен к первому входу задания интервала времени блока управления, с первого по шестой управляющие выходы которого подключены к управляющим входам с первого по третий клю- 15 чей, к входу сброса интегратора и к входам начальной установки первого и второго счетчиков соответственно, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени измерения gQ и выравнивания времени измерения в случае знакопеременной выходной величины, в него введены первый и второй цифроаналоговые преобразователи и второй компаратор, причем информаци- 25 онный выход блока управления является выходом измеряемой величины устройства, первый выход задания константы блока управления подключен к входу первого цифрбаналогового преоб-30

506 8 разователя, выход которого подключен к входу задания коэффициента передачи усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход которого подключен к первому входу второго компаратора, выход признака равенства которого подключен к первому входу внешних прерываний блока управления, второй вход второго компаратора является входом опорного напряжения устройства, второй выход задания константы блока управления подключен к информационному входу второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, выход признака равенства которого подключен к второму входу внешних прерываний блока управления и входу запуска второго счетчика, выходы которого подключены к второму входу задания интервала времени блока управления, счетные входы первого и второго счетчиков подключены к выходу тактовых импульсов блока управления, с седьмого по девятый управляющие выходы которого подключены к входу управления разрядом интегратора и входам разрешения запуска первого и второго счетчиков соответственно.

1300506 е 1 tg CyCg Cy, t г д е

Рие. 3

Фиг Ф

Составитель А.Мишин

Техред М,Ходанич

Корректор О.Луговая

Редактор М.Келемеш

Заказ 1151/49

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, d г д с

Тираж 6/3 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5