Устройство для линеаризации нелинейных характеристик

 

СОюз Соввтскик

Социалистические

Республик

ОП ИСАНИНА

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()964659 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву(51) M. Кл.

G 06 G 7/26 (22) Заявлено 09 ° 03. 81 (21) 3256889/18-24 с присоединением заявки №

Гоеударстееииый комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 07.10.82. Бюллетень № 37

Дата опубликования описания 07. 10. 82 па делам изобретений и открытий (53) УДЫ 68) ° 335 (088. 8) (72) Автор изобретения

А. И, Ришан . y".! )тяЪ. ".

1 1 ° 1т 1 э

1 1 tExè ti À

Киевский институт автоматики им. ХХЧ съез а КПЯ д 0ТЕ„,< (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕАРИЗЯЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано, например, для линеаризации характеристик интерференционных и других датчиков, описы ваемых синусоидальной или косинусов 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 1.

Недостатком этого устройства является ограниченный диапазон линейного преобразования „оно удовлетворительно линеаризирует аналоговые сигналы, содержащие только квадратичные составляющие от преобразуемого 2о параметра.

Наиболее близким техническим решением является устройство для линеаризации нелинейных характеристик, содержащее упр авля емый генератор и мпульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с входом устройства, а выход является выходом устройства, первый источник компенсирующего напряжения, выход которого подключен к первому входу первого суммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым управляющим входом генератора импульсов, квадратор, второй суммирующий усилитель, блок извлечения квадратного корня и второй источник компенсирующего напряжения, выход ко1орого подключен к второму входу второго суммирующего усилителя, вход устройства через квадратор связан с первым входом второго суммирующего усилителя, выход которого через блок извлечения квадратного корня связан с вторым входом первого суммирующего усилителя !23.

964659

55

Недостатком известного устройства является низкая точность линеаризации входных синусоидальных и косинусоидальных си гналов, обусловленная нелинейностью зависимости, воспроизводимой устройством при линеаризации синусоидального входного сигнала (зввисимость 1 на фиг. 2) Гх-Fo+K(1+s i и х-cos х), (1 ) где К - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами генератора импульсов, Fo - нулевая частота; х — преобразуемый параметр, и зависимости

Г„=Fо+K(1+соs x-sin x) (2) при линеаризации входного косинусоидал в ного сигнала (з ави си мост ь 7а, 7б на фиг. 3}.

При этом нелинейность составляет

2,1 в диапазоне изменения преобразуемого параметра от 0 до — радиан

Л

2. по отношению к идеальной прямой преобразования. Характеристика {1) (зависимость la и lб на фиг. 2) имеет

S-образный характер, Целью изобретения является повышение точности линеаризации входных аналоговых сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дпя линеаризации нелинейных характеристик, содержащее генератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход генератора импульсов является выходом устройсТва, первый управляющий вход генератора импульсов соединен с выходом первого суммирующего усилителя, первыи 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 источникакомпенсирующего напряжения, второй вход через квадратор соединен с входом устройства, введены третий и чет- 50 вертый суммирующие усилители, три ключевых элемента и компаратор, причем первый вход третьего суммирующего усилителя соединен с входом устройства, второй вход третьего суммирующего усилителя соединен с выходом блока 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 перво1о 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 s1n(х+ †)cos(x+4 ) на участке преобразования

3i

4 в пределах 0 < x< -" и 2+s i n (x- —" )cos (х- — ) в пределах изменения-" < x <

< —, и их алгебраическим суммированием с сигналом 1+sin х-cos х, характерным для известного устройства.

Так как знаки изменения чувствительности преобразования известного устройства разные в диапазонах 0 < x<

3i 3i У

< 4 и 4 < х < — 2 то в предлагаемом устройстве нелйнейность с возрастающей чувствительностью известного устройства в диапазоне 0 <х< ф(зависимость la на фиг. 2) компейси" руется дополнительным смещением зависимости 1+з1n х-cos х известного устройства (зависимость lб на фиг.2)характеризующейся нелинейной зависимостью с убывающей чувствительностью, на 4 (зависимость 4 на фиг.2) по оси преобразуемого параметра х и {-1) по оси ординат V и последующим их суммированием (результирующая зависимость 3 на фиг. 2).

Таким образом, частота на выходе генератора в- диапазоне изменения

0 < х -определяется выражением

Л

4 х

F =I+sin х со$ x+sin(x+ — )-cos(х+ (3) SS

9646

Линеаризация известной «зависимости

1+sin х-cos х в диапазоне —.y х <

Л J7

4 2 (зависимость 16 на фиг. 2) осуществляется сдвигом этой же зависимости на (- — ) no оси преобразуемого пара- 5

4 метра (смещена ветвь 1а в сторону опережения на (- —" ) - зависимост ь 5

4 на фиг. 2) и на (-1) по оси ординат, и последующим суюерованием (зависимость 6 на r. 2) со смещением на

2"-кратный единичный сигнал (зависи- мость 3 на фиг. 2).

В данном. диапазоне изменения л л

-<х«<—

«-,1 15

F„=3+s in x cos x+s in(x 4 ) cos (х .Ц )

4 (4)

Преобразуя выражение (3) и (4) получаем

Г„=1+2, 4142 s in x- cos х (5 ) для 0 < х«<—

Jl

Fx=3+siп х-2,4142 сов х . Jl для — <х «< (Ь)

Введение последовательно соединенных третьего суммирующего усилителя и .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 0 < x < — и преобладании косину,И

4 соиды над синусоидой и равный еди4 2 нице - при "- < х«< и преобладании синусоиды над косинусоидой.

Релейный сигнал компаратора изменяет коэффициенты передачи первого и четвертого суммирующих усилителей, 46 а также изменяет начальное смещение на первом суммирующем усилителе в

- соответствии с их необходимыми значениями для выполнения выражений преобразования (5) - для 0 < x<, и (6)-4

Д 1Я 4 «< х«<

Линеаризация входных косинусоидальных аналоговых сигналов осуществляется аналогично. При этом частота на выходе генератора импульсов определяется выражением

Jl

7f x=

F =3+cos х-siп x+cos(x-- )-sin(x4

- — ) =3+cos х-2,4142 s in х (7)

4 при 0

Л.

Jl

Fx =1+cos Х-s i n x+c6s (х+ 4 ) э i П (Х+, +,"- ) =1+2,4142 cos x-s in х (8) при — <х < — °

Jl Л

4 1

Для обеспечения этого режима входы . подключения к третьему суммирующему усилителю (входа устройства и выхода

Ьлока извлечения квадратного корня) меняют местами.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2,и 3 - графические зависимости, отоЬражающие этапы линеаризации соответственно входно-.. го синусоидального и косинусоидального аналоговых сигналов.

Устройство содержит генератор 1 импульсов, выход 2 которого является выходом устройства, вход устройства

3, источник 4 опорного напряжения, первый источник 5 компенсирующего напряжения, первый суммирующий усилитель 6, квадратор 7, второй сум-. мирующий усилитель Я, Ьлок 9 извлечения квадратного корня, второй источник 10 компенсирующего напряжения, третий и четвертый суммирующие усилители 1l и 12, компаратор 13, первый, второй, третий ключевые элементы 14, 15 и 16.

На фиг ° 2 обозначены 1а и 1бвыховная характеристика преоЬраэования выходного аналогового синусоидального сигнала в частоту импульсов известного устройства, 2 - идеальная характеристика преобразования известноro устройства, 3 - выходная характеристика преобразования входного. аналогового синусоидального сигнала в частоту. предлагаемого устрой,— ства 4 - смещенная ветвь 1б на

4 по оси преобразуемого параметра 5J

Э. смещенная: ветвь 1а на (-- ) по оси

4 преобразуемого параметра; 6 - сумма зависимостей Tb и 1, при смещении зависимости 1б - 1 по оси ординат;

F F0 - приращение частоты при лине" аризации по известному устройству;

F2 "F11 - приращение частоты при. линеаризации по предлагаемому устройству.

На фиг. 3 обозначены 7а и 7б - вы-.. ходная характеристика преобразования входного аналогового косинусоидального сигнала в частоту известного устройства, 8 - выходная характеристика преобразования входного i<îñè, нусоидального аналогового сигнала предлагаемого устройства; 9 - смещенная ветвь 7а на (- — "), no оси преобразуемого параметра; 10 - смещенная ветвь 7б на (+- -) по оси преобра4 зуемого параметра.

7 9646

Устройство работает следующим обр азом.

При воздействии входного аналогового сигнала, соответствующего преобразуемому параметру, на второй уп" S равляющий вход генератора i импульсов через четвертый суммирующий усилитель, частота на его выходе изменяется на величину, пропорциональную входному сигналу относительно опор-, ной частоты F o, задаваемой истоЧником 4, которым устанавливают начальный уровень дозаряда .емкостей управляемого генератора 1 и чему соответствует частота ? генератора 1 при значении преобразуемого парамет» ра x=0. Цепь коррекции, состоящая из блоков 7- 1О, вырабатывает первый корректирующий сигнал о = 1 - j (Х),,по- щ

2 ступающий с выхода первого сучмирующего усилителя на первый управляющий вход генератора.

При синусной характеристике входного датчика первый корректирующий сигнал соответствует зависимости

cos х-1, а при косинусной характеристике - зависимости sin х-1.

Совместное воздействие входного и корректирующего сигналов на управ- ЗО ляющие входы генератора формирует частотную характеристику, связывающую частоту импульсов с преобразуемым параметром по отношению к частоте Fz или вида (1) (зависимость з la и 1б на фиг. 2), при линеаризации синусоиды, или вида (2) при косинусоиде (зависимость 7а и 76 на фиг. 3}, по аналогии с известным устройством ° 40

Одновременно входной синусоидал ьный сигнап поступает на первый вход третьего суммирующего усилителя 11, на второй вход которого поступает косинусоидальный сигнал из блока 9 извлечения квадратного корня. В диапазоне изменения О <х < 4 косинусоиЛ дальная составляющая больше синусоидальной и на выходе усилителя 11 отрицательное напряжение, т.е. меньше нулевого напряжения общей шины, подключенной к второму входу компаратора 13, и на выходе компаратора устанавливается сигнал, равный логическому нулю. Этому состоянию компаратора 13 соответствует нормально закрытое состояние ключевого элемента.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 входному сигналу, поступающему через четвертый суммирующий усилитель 12 (его второй вход), подключается дополнительная часть входного сигнала, 1,4142 sin x (второй вход усилителя

12), а их совместное воздействие приводит к зависимости частоты на выходе генератора 1 от преобразуемого параметра в соответствии с выражением (5) или, что эквивалентно, с выражением (3).

В диапазоне изменения — < х <— Л Jl

4 1 сину сои дал ьная составляющая преоблааает над косинусоидальной, напряжение на выходе усилителя.11 положительно, компаратор переходит в единичное устойчивое состояние. При этом второ" му управляющему входу генератора 1 через усилитель 12 подключен только входной синусоидальный сигнал, а .к первому управляющему входу генератора 1 через усилитель 6 подключен до" полнительно сигнал 1,4142 cos х и

2"-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 компаратора равен или нулю или единичному состоянию, но частота на выходе генератора l равна F

При линеаризации входных косинусоидальных сигналов на вход 3 устройства поступает косинусоидальный сигнал, а с выхода блока 9 снимают

"-инусоидальный.

Для обеспечения режима линеари зации по выражению (7) при «О «< x < 4

М

:и выражению (8 ) при Л < х < > входные сигналы третьего суммирующего усилителя меняют местами, чем достигают срабатывания компаратора 13 в диапазоне 0 < х< и его возврат в нулеBoG состояние при 4 «< х «< g °

Технико-экономический эффект заключается в повышении при 2 -кратном увеличении чувствительности в 9-10 раз точности преобразования аналоговых входных сигналов, содержащих синусные и косинусные зависимости от преобразуемого параметра.

964659

Общая нелинейность частоты на вы ходе устройства от преобразуемого параметра, в пределах его изменения от 0 до радиан, не превышает 0,243.

Формула изобретения

Устройство для линеаризации нелинейных характеристик, содержащее re- 10 нератор импульсов, к задающему входу которого подключен источник опорного напряжения, выход генератора импульсов является выходом устроиства, первый управляющий вход генератора им- tS пульсов соединен с выходом первого суммирующеro 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 сое3$ динен с выходом блока 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 второго - к 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 элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство CCCP

N 713328, кл. G 06 G 7/26, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 28777849/18-24, кл. G 06 G 7/26 (прототип).