Аналого-цифровой интегратор

 

Союз Советскнк

Социалистических

Реслублик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

<и1813456 (61) Дополнительное к авт.сеид-ву Р 507872 (22) Заявлено 190279 . (23) 2727667/18-24 с присоединением заявки йо (23) Приоритет

Опубликовано 150 381, Бюллетень М10 (51}М. Кл.

G 06 G 7/186

Государственный комитет

СССР по деяам изобретений и открытий (5З) УДК 681. ЗЗ5 (088. 8) Дата опубликования описания 15.0381 (72) Авторы изобретения

М.Н.Глазов и Э.С.Никулин (71) Заявитель (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАТОР

Изобретение относится к автоматике и предназначено для формирования напряжения, пропорционального интегралу от входного сигнала, Оно может использоваться в системах автоматического регулирования различных технологических процессов, а также объектов, имеющих большие постоянные времени.

IIo основному авт.св. 9 507872 известен аналого-цифровой интегратор, содержащий преобразователь напряжение-частота с аналоговым интегратором, реверсивный 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 зави-. симости от режима работы интегратора (1) .

Однако использование известного аналого-цифрового интегратора в те; чение значительного времени без обслуживания затруднительно из-за отсутствия в нем цепей контроля исправности интегратора, что может привести к сбою. Отсутствие контроля исправности исключает также воэможность автоматического вводя в действие интегратора, находящегося в холодном резерве, что весьма желательно для повышения надежности систем управления. цель изобретения — повышение достоверности результата за счет обеспечения автоматического контроля исправности интегратора.

Эта цель достигается тем, что в интегратор введены фильтр, дифферен15 цирующая цепь, последовательно включенные апериодический фильтр, ключ и релейный элемент,.генератор импульсов, линия задержки, ограничительные резисторы и два элемента И, первые

20 входы которых подключены к соответствующим выходам линии задержки, вторые входы элементов И соединены с генератором импульсов и с входом сброса релейного элемента соответ2 ственно, а выходы элементов И подключены к шинам установки счетчика, причем вход ключа соединен через последовательно включенные первый ограничительный резистор и фильтр

30 с входом апериодического фильтра и

813456 выходом блока сравнения и через второй ограничительный резистор — с выходом блока слежения-хранения, управляющий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходом блока выделения модуля, вход линии задержки 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; на фиг.2 — временные диаграммы его работы в режиме контроля.

Аналого-цифровой интегратор содержит преобразователь 1 напряжение частота, построенный на аналоговом. интеграторе 2 с цепью 3 сброса в нулевое состояние и трехпозиционном компараторе 4, счетчик 5 с входами

7 и 8 управления реверсом, цифроаналоговый преобразователь 9, выходной сумматор 10 с масштабными резисторами 11 и 12 и управляемым ключем

l3 на транзисторе, подключенном через согласующую цепь 14 к импульсному выходу компаратора, двухпозиционный переключатель 15 с входами 16

17 и управляющим входом 18, блок,19 слежения-хранения, содержащий усилитель 20, запоминающий конденсатор

21, истоковый повторитель 22 на полевом транзисторе и переключатель

23 режима работы слежение-хране-ние, блок 24 сравнения, резистор

25, блок 26 выделения модуля и логический.элемент И-HE 27.

К аналого-цифровому интегратору 28, образованному укаэанными элементами, дополнительно подключены апериодический фильтр 29 на операционном усилителе 30, резисторах 31, 32 и конденсаторе 33, ключ 34, релейный элемент 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 через ограничительные резисторы 41 и 42 соединен соответственно с выходами апериодического фильтра 29 и блока .

19 слежения-хранения и через ограничительный резистор 43 и фильтр 44 на конденсаторе 45 и резисторе 46 соединен с входом апериодического фильтра 29 и выходом блока 24 сравнен я. Управляющий вход ключа 34 соединен с выходом блока 26 выделения модуля через дифференцирующую цепь 47. Вход релейного элемента 35 подключен к суммирующей точке усилителя 30 через резисторе 48.

Работа аналого-цифрового интегра- . тора происходит следующим образом.

В промежутках между интервалами контроля при наличии входного сигнала U „ преобразователь напряжениечастота генерирует импульсы с частотой, пропорциональной /U Ьх/, Пусть 0ьк >0 тогда на потенциальных выходах трехпозиционного компаратора 4, соединенных с входами 7 и 8 управления, реверсивного счетчика

5, устанавливаются напряжения, настраивающие счетчик на сложения,импульсов, Кодовые комбинации, возникающие в счетчике, преобразуются цифроаналоговым преобразователем 9 в возрастающее напряжение, поступающее на вход сумматора 10. Возникновение импульсов на счетном входе 6 реверсивного счетчика 5 происходит в моменты времени, когда напряжение на выходе аналогового интегратора

15 2 достигает уровня срабатывания компаратора 4, после чего под действием выходного сигнала компаратора осуществляется быстрый сброс (раз— ряд конденсатора) аналогового ин20 тегратора 2, В результате компаратор

4 выключается, и процесс заряда конденсатора под действием Uex. повторяется, Поэтому за каждый период работы преобразователя 1 в счетчике

5 фиксируется приращение интеграла напряжение Пбх., т.е. происходит квантование интеграла входного напряжения Uь»,по уровню. Для устранения погрешности квантования в схеме осуществляется суммирование выходного сигнала цифроаналогового преобразователя 9 с выходным сигналом аналогового интегратора 2 с помощью сумматора 10. Устранение

35 всплесков напряжения на выходе аналого-цифрового интегратора, возникающих в моменты сброса аналогового интегратора 2 достигается с помощью резисторов 11, 12 и ключа

13 на транзисторе, база которого

40 через согласующую цепь 14 подключается к импульсному выходу компаратора 4, благодаря чему сумматор 10 отключается от аналогового интегратора 2 во время разряда его емкости.

45 При единичном сигнале U переключатель 16 находится в положении, при котором выход аналого-цифрового интегратора подключен к входу блока 19 слежения-хранения. Этот блок

50 при отсутствии сбоя счетчика 5 работает в режиме слежения за выходным напряжением интегратора

Действительно, в режиме слежения на входах трехпозиционного блока

24 сравнения действуют практически равные напряжения Би и Бьы, а потому выходные сигналы блока 24 сравнения и блока 26 выделения модуля равны нулю. На выходе логического элемента И-НЕ 27 возникает единич60 ный сигнал, поддерживающий переключатель 23 в замкнутом положении, что соответствует режиму слежения блока 19. Отметим, что в этом случае блок 24 сравнения не влияет на

65 работу преобразователя 1 напряже813456 ния-частота, так как ток через резистор 25 равен нулю.

Процесс интегрирования отрицательного напряжения 0ьх. протекает так же, как .н в случае положительного напряжения 0ьх, с той лишь разницей, что под действием 0ь < 0 реверсивный счетчик 5 настраивается компаратором 4 на вычитание импульсов, поступающих на его счетный вход 6. В результате напряжение 0ь,д на выходе интегратора уменьшается.

В процессе работы устройства в режиме интегрирования входного напряжения 0Ьх, благодаря отсутствию сигнала на выходе блока 24 сравнения, напряжения на выходе апериодического Фильтра 29 и на конденсаторе 45 фильтра 44 равны нулю. Поэтому на вход ключа 34 поступает только выходной сигнал блока 19 слеженияхранения. Этот сигнал не передается на вход релейного элемента 35, так как ключ 34 закрыт, поскольку напряжение на входе дифференцирующей цепи 27 не изменяется. При отсутствии импульсов генератора 37 на выходах элементов И 39 и 40 действуют нулевые логические сигналы, не влияющие на работу реверсивного счетчика 5.

Рассмотрим теперь .работу интегратора в интервалах контроля. Выходной импульс 037 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 щкн установки счетчика 5. Если к моменту появления импульса 032 код в счетчике превышал нулевое значение (выходное напряжение интегратора

0нт0) (диаграмма A на фиг.2), то по импульсу 03р код в счетчике принимает минимальное значение (-N o„) .

При И<0 (0„,<0 - диаграмма Б на фиг.2) импульс генератора проходит через элемент И 40, и счетчик устанавливается в состояние максимального кода (+й,щ, ). Для нормального функционирования цепей установки счетчика время задержки линки 38 должно превьиаать длительность импульса 032, Одновременно импульс

032 поступает на вход 36 релейного элемента 35, устанавливая его в нулевое положение, при котором сигнал неисправности 0ен 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 логичесВ в, ашл т, — (1), (024 ) где ь - постоянная интегрирования аналого-цифрового интегратора по ходу восстановления информации. По"

$© стоянная Гь связана с основной постоянной интегрирования г соотношением

à = — Y

R 2C

$$ где R - сопротивление на основном входе интегратора.

Под действием напряжения 024 происходит также заряд -конденсатора

33 апериодического фильтра 29, и его выходное напряжение изменяется по закону

Rs2

U29 =(R 024+00) (1-е " ) где 0Э - начальное напряжение на

6$ конденсаторе 33; R32 и R32 «сопро(2 ), кий элемент И-НЕ 27 переводит пере" ключатель 23 в разомкнутое состоя« ние. При этом блок 19 слеженияхранения переходит в режим хране.ния, и на его выходе удерживается. выходное напряжение интегратора, предшествующее установке счетчика

5 в положение максимального или минимального кода. При срабатывании блока 24 сравнения происходит замыкание контура отрицательной обрат © ной связи, охватывающей аналогоцифровой интегратор. При надлежащем выборе сопротивления резистора 25 выходное напряжение блока 24 сравнения превалирует над входным сиг-!

$ налом Uw.,и эа счет глубокой отрицательной обратной связи интегратор достаточно быстро.отрабатывает напряжение U . В результате s счетчике 5 восстанавливается исход@ ный код, и напряжение на выходе сумматора 10 принимает значение, практически равное U . После этого сигнал на выходе блока 24 сравнения принимает нулевое значение, пере» ключатель 23 устанавливается .в замкнутое положение, . блок 19 слежения-хранения переходит s режим слежения эа выходным напряжением сум- . матора 10, и интегратор продолжает осуществлять интегрирование входного сигнала.

Длительность интервала восстановления информации определяется практически временем, в течение которого выходное напряжение сумма3$ .тора 10 изменится на величину (0п) +

+(0„„ д), где (0 „} =Соя 2 - абсолютная величина напряжения, соответствующая максимальному (N } или минимальному (М „) коду. В течение

g() времени восстановления Тзр т конденсатор 45 фильтра 44 заряжается до напряжения 02 на выходе блока 24 сравнения. Поэтому время восстановления

813456

T Ьоссг

R„С „U> (3)

Подставляя в (3) значение Т ь ст из (1), найдем н апр яжение . на выходе апериодического фильтра в конце времени восстановления (Пи д)() + и 1

В < Сзз

Если выбрать R>i С = Т в то

U29 (Тьосст.) = (/Пиах/+/U /) (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 U 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 осущес гвляется сравнение выходного напряжения апериодического фильтра 29 с напряжениями на конденсаторе 45 и на выходе блока 19 слежения-хранения. Напряжение U на входе релейного элемента 35 пропорционально разности (Uyp (Ug+U44 ) ) °

Если длит ель иост ь времени сравнения Т р,. в течение которого транзистор 34 открыт, достаточно мала, то за время Т4р конденсаторы 44 и тивл -,:,-ие Резисторов 31 и 32 > т 19 постоянная времени фильтра (Tzp =R q>

1С ;), С вЂ” емкость конденсатора 33.

Благорадя наличию дифференцируюцей цепи 47 выходное напряжение блока 26 выделения модуля не поступает на затвор транзисторного ключа 34, а потому апериодический фильтр 29, фильтр 44 и блок 19 слежения-хранения отключены от входа релейного элемента 35.

При .остаточно большом коэффициенте усиления операционного усилите ля 30 напряжение в его суммирующей точке практически равно нулю и не оказывает влияния на состояние релейного =-л мента 35. В результате в проц.=-= c=е восстановления информации релейный элемент 35 остается в нулевом положении.

Если постоянная времени апериодического фильтра 29 Lqp удовлетворяет

Услов-4Ям C qp «T 7 (Т р — пеРиоД генератора 37) и 6 p » Т Ьд< т, то начальное найряжение U 0 на конденсаторе 33 равно нулю, и после разлоф / жения е -,7, в Ряд при =Т ьосст получим

d0

Отметим, что значительная часть отказов аналого-цифрового интегратора приводит к невозможности восстановления информации в счетчике ° При 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 укаэанных отказов служит

33 не успевают разрядиться; Следовательно, Ugp (Tcp ) =U g9 (T boccr ) и Uqq (Tcp ) =U war

Поэтому результирующий сигнал на входе релейного элемента 35 в интервале сравнения практически равен нулю (лежит в зоне нечувствительности релейного элемента + < ), и сигнал неисправности Уси отсутствует.

Очевидно, что практически любые неисправности аналого-цифрового интегратора приводят к изменению его постоянной интегрирования Те и на, рушению равенства R С з — — Ге, что в конечном счете вызывает изменение времени восстановления информации.

f$ 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 U, Благодаря самоблокировке релейного элемента 35 сигнал неисправности

Uep сохраняется до прихода очередного импульса контроля от генератора

37. После этого осуществляется сброс релейного элемента в нулевое состояние и начинается новый цикл контро30 ля, в процессе которого вновь формируется сигнал Ue„, если неисправность остается неустраненной.

При случайном сбросе счетчика 5 процесс восстановления информации

35 происходит так же, как и в рассмотренном выше случае. Поскольку время восстановления информации при сбое отличается от значения, определяемого выражением (1), на входе релейgg наго элемента 35 по окончании процесса восстановления (при замыкании ключа 34) возникает разностное напряжение. Под действием этого напряжения формируется сигнал неисправности, который поддерживается на вы4 ходе релейного элемента 35 до прихода очередного импульса генератора

37. Однако в отличии от случая неисправности интегратора сигнал П „при случайном сбое не будет подтверждать®О ся. связь входа релейного элемента 35 с суммирующей точкой апериодического фильтра 29. Если время действия напряжения U на входе фильтра

29 достаточно велико, то операционный усилитель 30 переходит в состояние насыщения, и в суммирующей точке этого усилителя появляется напряжение.,превышающее порог срабатывания релейного элемента 35, сигнализирующего отказ.

Таким 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

813456 ля исправности устройства, в него введены фильтр, дифференцирующая цепь, последовательно включенные апериодический фильтр, ключ и релейный элемент, генератор импульсов, линия задержки, ограничительные резисторы и два элемента И, первые входы которых подключены к соответствующим выходам линии задержки, вторые входы элементов И соединены с генератором импульсов и с входом сброса ре о лейного элемента соответственно, а выходы элементов И подключены к шинам установки счетчика, причем вход ключа соединен через последовательно включенные первый ограни15 чительный резистор и фильтр с входом апериодического фильтра и выходом блока сравнения и через. второй ограничительный резистор с — выходом блока слежения-хранения, управляюрО щий вход ключа соединен через дифференцирующую цепь с выходом блока выделения модуля, вход линии задержки подключен к выходу старшего разряда счетчика, а вход релейного элемента через третий ограничительХЭ ный резистор — к суммирующему входу операционного усилителя.

Аналого-цифровой интегратор по автсв.9507872,отличаюшийся тем, что, с целью повышения достоверности результата эа счет обеспечения автоматического контроИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

ЗО

1. Авторское свидетельство СССР

Р 507 87 2, кл. G 06 G 7/186, 19 73, (прототип) .

813456 Рь

V1

Риа2

Составитель С.Белан

Редактор A.Íàóðñêoâ Техред Н.Келущак ° Корректор Г.Решетник

1 ,У, 3 аК 3 а 7 7 5 / 6 3 Тираж 745 Подписи ое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по-делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4