Устройство выбора сигнала

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервирования. Технический результат достигается за счет анализа уровней (по напряжению) сигналов, поступающих на входы, путем сравнения их друг с другом на усилителях с релейной характеристикой. В зависимости от результатов сравнения логическая часть подключает выход устройства к тому входу, на который поступает средний входной сигнал. Кроме этого, устройство корректирует сигналы с остальных источников, приближая их к среднему. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервирования, для выбора среднего по напряжению сигнала.

Известен аналоговый мажоритар для выбора цепей, описание которого приведено в [1], он предназначен для выбора среднего из трех сигналов, поступающих на его входы. Устройство содержит первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, охваченные общей отрицательной обратной связью и соединенные с соответствующими входами устройства.

Однако максимально возможный выходной сигнал этого устройства Uвых.mах не может превышать значения Uн/3, где Uн - напряжение насыщения усилителя (максимально возможный выходной сигнал), что накладывает значительные ограничения на параметры системы.

Известно устройство выбора среднего сигнала - прототип, описание которого приведено в [2], оно предназначено для выбора среднего по напряжению из трех сигналов, поступающих на его входы. Устройство содержит схему управления, реализованную на компараторах, для сравнения входных сигналов друг с другом и электронные ключи для соединения входов устройства с его выходом.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при отсутствии рассогласования между датчиками (источниками информации), в случае отказа одного из них, переход на другой (средний) произойдет без значительного воздействия от изменения сигнала на систему обработки. Однако в случае рассогласования датчиков, при переходе с одного датчика на другой, будет скачок управляющего воздействия, что не во всех случаях допустимо.

Задача изобретения - повышения точности.

Эта задача достигается тем, что в устройство выбора сигналов, содержащее первый, второй и третий входы, первый, второй и третий компараторы, неинвертирующие входы которых соединены с инвертирующими входами соответственно третьего, первого и второго компараторов, дополнительно введены первый, второй и третий, усилитель, шифратор, первый, второй, третий, четвертый и пятый мультиплексоры, первое и второе пороговые устройства, первый и второй электронные ключи, формирователь, первый и второй интеграторы, вход управления устройства, при этом первый, второй и третий входы устройства через первый, второй и третий усилители соединены соответственно с неинвертирующими входами первого, второго и третьего компараторов и первым, вторым и третьим входами второго, третьего и четвертого мультиплексоров, выходы компараторов соединены с соответствующими входами шифратора, а его первая выходная шина соединена с входами адресов первого и второго мультиплексоров, вторая выходная шина соединена с входами адресов третьего и третья выходная шина - с входами адресов четвертого и пятого мультиплексоров, входы смещения первого, второго и третьего усилителей соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими выходами первого и пятого мультиплексоров, выход второго мультиплексора соединен с первым входом первого порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом третьего мультиплексора, выходом устройства и первым входом второго порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом четвертого мультиплексора, причем выходы первого и второго пороговых устройств соединены через первый и второй электронные ключи и первый и второй интеграторы со входами соответственно первого и пятого мультиплексоров, а вход управления устройства соединен с входом управления формирователя, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго электронного ключа.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства выбора сигнало, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий входы устройства, 4, 5, 6 - первый, второй и третий усилители, 7, 8, 9 - первый, второй и третий компараторы, 10 - шифратор, 11, 12, 13, 14, 15 - первый, второй, третий, четвертый и пятый мультиплексоры, 16, 17 - первое и второе пороговые устройства, 18, 19 - первый и второй электронные ключи, 20 - формирователь, 21, 22 - первый и второй интеграторы, 23 - выход устройства, 24 - вход управления устройства.

Первый вход 1 устройства через первый усилитель 4, второй вход 2 устройства через второй усилитель 5 и третий вход 3 устройства через третий усилитель 6 соединены соответственно с неинвертирующими входами первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов. Выходы первого 21 и второго 22 интеграторов соединены с входами первого 11 и пятого 15 мультиплексоров соответственно. Инвертирующие входы первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов подключены к выходам второго 5, третьего 6 и первого 4 усилителей, при этом выходы компараторов соединены с соответствующими входами шифратора 10, а его первая, вторая и третья выходные шины соединены с входами адресов соответственно первого 11 и второго 12, третьего 13, четвертого 14 и пятого 15 мультиплексоров. Выход первого усилителя 4 соединен с первыми входами второго 12, третьего 13 и четвертого 14 мультиплексоров, вторые и третьи входы которых соединены с выходами второго 5 и третьего 6 усилителей соответственно. Входы смещения первого 4, второго 5 и третьего 6 усилителей соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими выходами первого 11 и пятого 15 мультиплексоров. Выход второго мультиплексора 12 соединен с первым входом первого порогового устройства 16, второй вход которого соединен с выходом третьего мультиплексора 13, выходом устройства и первым входом второго порогового устройства 17, второй вход которого соединен с выходом четвертого мультиплексора 14. Вход управления устройства 24 соединен с входом управления формирователя 20, выход которого соединен с управляющими входами первого 18 и второго 19 электронного ключа, причем выходы первого 16 и второго 17 пороговых устройств соединены через первый 18 и второй 19 электронные ключи с входами соответственно первого 21 и второго 22 интеграторов.

Устройство выбора сигналов работает следующим образом.

После его включения входные сигналы S1, S2 и S3, поступающие на входы 1, 2 и 3 устройства, проходят через первый 4, второй 5 и третий 6 усилители соответственно. В результате чего сигнал S1 поступает на неинвертирующий вход первого компаратора 7 и инвертирующий вход третьего компаратора 9, сигнал S2 поступает на неинвертирующий вход второго компаратора 8 и инвертирующий вход первого компаратора 7, сигнал S3 поступает на неинвертирующий вход третьего компаратора 9 и инвертирующий вход второго компаратора 8. Выходные сигналы первого 7, второго 8 и третьего 9 компараторов U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно, в зависимости от значений входных сигналов S1, S2 и S3, будут определяться согласно табл. 1. В этой таблице для каждого соотношения входных сигналов S1, S2 и S3 приведено состояние выходных шин шифратора 10 и указаны открытые каналы мультиплексоров 11 - 15. При этом низкий уровень сигнала соответствует значению "О", а высокий уровень сигнала - значению "1".

Пусть входные сигналы S1, S2 и S3 соответствуют комбинации 1 табл.1 (S1>S2>S3). В этом случае, в соответствии со схемой фиг.1, на выходе первого компаратора 7 будет логическая единица (S1>S2, считаем, что |S1-S2|>δ, где δ - гистерезис компаратора 7). На выходе второго компаратора 8 будет логическая единица (S2>S3, считаем, что |S2-S3|>δ, где δ - гистерезис компаратора 8), на выходе третьего компаратора 9 логический ноль (S1>S3), т.е. U1-2= 1, U2-3=1, U3-1=0.

Тогда в соответствии со схемой фиг.1 и таблицей с выхода А1 шифратора 10 на входы адресов первого 11 и второго 12 мультиплексоров будет поступать кодовая комбинация 01, которая откроет каналы Х1-Х данных мультиплексоров, в результате на первом входе первого порогового устройства 16 будет сигнал с выхода первого усилителя 4 (S1). С выхода А2 шифратора 10 на входы адресов третьего 13 мультиплексора будет поступать кодовая комбинация 10, которая откроет канал Х2-Х данного мультиплексора. В результате на выход устройства 23 поступит сигнал с выхода второго усилителя 5 (S2), т.е. средний из сигналов S1, S2 и S3, он также поступит на второй вход первого порогового устройства 16 и на первый вход второго порогового устройства 17. С выхода A3 шифратора 10 на входы адресов четвертого 14 и пятого 15 мультиплексоров будет поступать кодовая комбинация 11, которая откроет каналы Х3-Х данных мультиплексоров, в результате на втором входе второго порогового устройства 17 будет сигнал с выхода третьего усилителя 6 (S3).

Таким образом, на выходе второго мультиплексора 12 всегда будет сигнал с датчика, имеющего наибольшее значение, на выходе третьего мультиплексора 13 сигнал с датчика, имеющего среднее значение, а на выходе четвертого мультиплексора 14 сигнал с датчика, имеющего наименьшее значение. А значит на первом входе первого порогового устройства 16 будет наибольший сигнал, на втором входе - средний сигнал, на первом входе второго порогового устройства 17 - средний сигнал, на втором входе - наименьший сигнал. В случае отличия между сигналами, большего, чем величина порога, на выходе порогового устройства появится положительное напряжение, в исходном состоянии - отрицательное. После включения устройства выбора сигналов на вход управления устройства 24 надо подать команду, которая поступит на вход управления формирователя 20. Последний сформирует импульс, который поступит на управляющие входы первого 18 и второго 19 электронных ключей и разрешит им с пороговых устройств 16 и 17 пропустить сигналы на входы первого 21 и второго 22 интеграторов. При наличии положительного напряжения на входе первого интегратора 21 на его выходе появится и начнет расти положительное напряжение. При наличии положительного напряжения на входе второго интегратора 22 на его выходе появится и начнет расти (по модулю) отрицательное напряжение. При разомкнутом состоянии электронного ключа выходной сигнал интегратора остается неизменным. С выхода первого интегратора 21 оно через первый мультиплексор 11 поступит на вход смещения усилителя, имеющего наибольший входной сигнал. А с выхода второго интегратора 22 напряжение через пятый мультиплексор 15 поступит на вход смещения усилителя, имеющего наименьший входной сигнал. Нарастающее (по модулю) напряжение с выходов интеграторов 21, 22 будет поступать на входы смещения усилителей, вызывая "снижение" передаточной характеристики вдоль оси У первого усилителя 4 и вызывая "подъем" передаточной характеристики вдоль оси У у третьего усилителя 6. Изменение сигнала на их выходах будет проходить до тех пор, пока разница между сигналами станет равна пороговой величине пороговых устройств 16, 17. В результате передаточные характеристики датчиков, сигналы которых поступают на входы компараторов 7-9, будут сближены.

Аналогично работает устройство выбора сигналов и при других комбинациях входных сигналов S1, S2 и S3 (пункты 1 - 6 таблицы). Импульс с формирователя 20 должен быть такой длительности, чтобы сигнал с интеграторов 21, 22 успел скомпенсировать разницу между сигналами на входах устройства. Усилители 4-6 должны обладать единичным коэффициентом усиления. В исходном состоянии (входные сигналы S1, S2 и S3 отличаются друг от друга на величину, меньшую, чем пороговая, открыты первый 18 и второй 19 электронные ключи) первый 21 и второй 22 интеграторы находятся в насыщении - на их выходах нулевое напряжение. Пороговая величина пороговых устройств 16, 17 должна выбираться с учетом мультипликативной и нелинейной погрешности источников сигналов для того, чтобы сблизить передаточные характеристики датчиков, но не дать им пересечься. Скорость изменения напряжения на выходах интеграторов должна быть выше, чем скорость изменения входных сигналов S1, S2 и S3.

В случае совпадения входных сигналов (выполняется одно из неравенств |S1-S2|<δ, |S1-S3|<δ, |S2-S3|<δ на входах шифратора 10 возможны следующие комбинации (см. пункты 7-9 таблицы). Видно, что в этих случаях на выход устройства 23 будет поступать один из двух равных сигналов. В случае, когда входные сигналы равны, S1=S2=S3 (|S1-S2|<δ, |S1-S3|<δ, |S2-S3|<δ), на входах шифратора 10 будет нулевая комбинация. При этом не имеет существенного значения, какой из входных сигналов S1, S2 или S3 подается на выход устройства 23. Для определенности можно подавать S2, что и записано в строке 10 таблицы.

Эффект от использования предлагаемого устройства выбора сигналов в том, что оно позволяет при работе с датчиками, имеющими большую случайную составляющую нулевого сигнала от включения к включению после воздействия дестабилизирующих факторов (это, например, некоторые типы акселерометров), проводить "выравнивание" сигналов. В случае включения датчиков во время воздействия полезного измеряемого сигнала (после воздействия дестабилизирующих факторов, например измеряемой величины, значительно превышающей линейную рабочую зону), т. е. когда невозможно провести предварительную компенсацию аддитивной погрешности известными методами, например, описанным в [3], можно получить значительное рассогласование в выходных параметрах датчиков. В этом случае наиболее точное значение будет у среднего датчика. Сигнал с него будет поступать на выход как у устройства-прототипа, так и у предлагаемого устройства. Однако в случае отказа любого одного датчика (источника сигнала) в системе возможен переход на работу с другим датчиком.

В этом случае при использовании устройства-прототипа произойдет ложное воздействие на систему из-за разности сигналов, а при использовании предлагаемого устройства выбора сигналов такого воздействия не произойдет, что позволяет говорить о повышении точности устройства. Например, сигналы с датчиков S1= 5,0, S2=5,5, S3=5,9 В, порог первого 16 и второго 17 пороговых устройств 0,2 В и в процессе работы пропадает сигнал с третьего датчика, т. е. S3=0. При включении с обоих устройств на выход будет поступать сигнал 5,5 В. После пропадания сигнала с третьего источника средним становится сигнал с первого датчика. В случае устройства-прототипа это будет 5,0 В, а в предлагаемом устройстве 5,3 В. Видим, что в первом случае ложное воздействие будет (5,5-5,0)/5,5= 0,091 абсолютной величины сигнала, а во втором (5,5-5,3)/5,5=0,036, т.е. значительно меньше.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать операционные усилители, электронные ключи, логические элементы цифровых микросхем любых серий.

Литература 1. Патент США 3706044, кл. G 06 F 11/18, от 29 сентября 1970г. Аналоговый мажоритар для выбора цепей.

2. Заявка на изобретение Российской Федерации 99113292/09, кл. G 06 G 7/52 от 17.06.1999г. Устройство выбора среднего сигнала.

3. Патент Российской Федерации 2138826, кл. G 01 R 19/252, от 12 октября 1998г. Интегральный преобразователь.

Формула изобретения

Устройство выбора сигналов, содержащее первый, второй и третий входы, первый, второй и третий компараторы, неинвертирующие входы которых соединены с инвертирующими входами, соответственно, третьего, первого и второго компараторов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый, второй и третий усилители, шифратор, первый, второй, третий, четвертый и пятый мультиплексоры, первое и второе пороговые устройства, первый и второй электронные ключи, формирователь, импульсы которого должны быть такой длительности, чтобы сигнал с первого и второго интеграторов успел скорректировать разницу между сигналами на выходах устройства, первый и второй интеграторы, вход управления устройства, при этом первый, второй и третий входы устройства через первый, второй и третий усилители соединены, соответственно, с неинвертирующими входами первого, второго и третьего компараторов и первым, вторым и третьим входами второго, третьего и четвертого мультиплексоров, выходы компараторов соединены с соответствующими входами шифратора, а его первая выходная шина соединена с входами адресов первого и второго мультиплексоров, вторая выходная шина соединена с входами адресов третьего и третья выходная шина с входами адресов четвертого и пятого мультиплексоров, входы смещения первого, второго и третьего усилителей соединены, соответственно, с первыми, вторыми и третьими выходами первого и пятого мультиплексоров, выход второго мультиплексора соединен с первым входом первого порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом третьего мультиплексора, выходом устройства и первым входом второго порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом четвертого мультиплексора, причем выходы первого и второго пороговых устройств соединены через первый и второй электронные ключи и первый и второй интеграторы со входами, соответственно, первого и пятого мультиплексоров, а вход управления устройства соединен с входом управления формирователя, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго электронных ключей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2