Технические науки

Электротехника и радиоэлектроника

В.С. Тверезовский, Р.В. Бараненко

Херсонский национальный технический университет

ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РАЗНОСТИ
И ОТНОШЕНИЯ ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ

В настоящее время одной из основных задач при разработке измерительных систем является повышение точности, быстродействия и увеличение диапазона измеряемых величин [1].

На сегодняшний день известно устройство для контроля разности последовательности напряжений [2], которое определяет разность напряжений, поступающих последовательно на его вход в аналоговом виде. Недостатком устройства является его сложность и как следствие низкая надежность, а также узкие функциональные возможности, так как оно определяет только разность входных напряжений в абсолютных единицах. Известно также устройство [3], которое определяет отклонение входного сигнала от эталонного, в цифровом виде, в абсолютных единицах. Недостатком устройства является его сложность и узкие функциональные возможности, так как устройство определяет только отклонение и только в абсолютных единицах.

Целью работы является устранение недостатков существующих устройств и разработка нового устройства для контроля напряжений, структурные особенности которого позволят расширить функциональные возможности устройства.

Указанных недостатков лишено устройство [4], структурная схема которого представлена на рис. 1. Устройство состоит из интегратора 1, в качестве которого может быть интегрирующий усилитель постоянного тока с ключом параллельно интегрирующей емкости, элемент сравнения 2, перекидной ключ 3, счетчик реверсивный 4, первый элемент И 5, генератор эталонной частоты 6, блок управления 7. В состав блока управления входят формирователи импульсов 8,9, триггеры: первый - 10, третий - 11, второй - 12, элементы И третий - 13, второй - 14, элементы ИЛИ 15, клеммы входных сигналов обозначены 16,17, клемма сигнала деления - 18.

Рис. 1 Структурная схема устройства для определения относительной разности и отношения двух напряжений

Работа устройства заключается в следующем. В исходное состояние схема приводится подачей импульса "сброс", при этом на выходе интегратора 1 будет максимальный потенциал, ключ 3 находится в замкнутом положении, триггеры 10 и 12 находятся в таком состоянии, что своими выходными сигналами запрещают работу счетчика 4, счетчик 4 сброшен в "0". Триггер 11 выдает разрешающий потенциал на элементы И 13 и 14. При определении относительной разности входных напряжений после подачи импульса "сброс" устройство приходит в исходное состояние. На шине "деление" нулевой потенциал. С приходом импульса "пуск" интегратор 1 через элемент ИЛИ 15 сбрасывается в нулевое состояние. Из заднего фронта импульса "пуск" формирователь 8 формирует импульс, поступающий на разделенный вход триггера 10. Триггер 10 переходит в состояние, при котором своим выходным сигналом через элемент И 13 перебрасывает ключ 3 в другое положение, в результате чего вход элемента сравнения 2 оказывается подключенным к входной клемме 16. Счетчик 4 от триггера 10 получает разрешение на счет импульсов генератора 16 по суммирующему входу. В этот же момент интегратор 1 начинает интегрировать входное напряжение, в результате чего на выходе появляется нарастающее линейное напряжение. Величина этого напряжения в любой промежуток времени t равна

,

(1)

где - постоянная величина интегратор 1; V_вх1 - выходное напряжение, подаваемое на вход 16. С течением времени наступает такой момент, при котором будет выполняться условие

или .

Элемент сравнения 2 в этот момент вырабатывает импульс, который поступает через элемент ИЛИ 15 на сбрасывающий вход интегратора 1, на входы триггеров 10 и 12. Триггер 10 переходит в другое состояние и вырабатывает запрещающий сигнал, поступающий на вход элемента И 13 и на вход счетчика 4, запрещая суммирование импульсов генератора 6. Кроме того, импульс со схемы сравнения поступает через элемент И 14 на вход формирователя 9. Последний формирует из заднего фронта импульса короткий импульс, который поступает на триггеры 11,12 и переводит их в другое состояние. Триггер 11 выдает запрещающий сигнал на элементы И 13 и 14.

В это время в счетчике 4 будет находиться определенное количество импульсов, соответствующее отношению . Триггер 12 устанавливается в такое положение, что своим выходным сигналом разрешает поступление импульсов с генератора 6 на вычитающий вход счетчика 4. Триггер же 10 своим выходным потенциалом переводит ключ 3 в исходное состояние, в результате чего ко входу схемы сравнения 2 будет подключена клемма 17 другого входного сигнала. Интегратор интегрирует входное напряжение U_вх1. На его выходе будет линейно изменяться напряжение, которое будет приложено ко входу элемента сравнения 2.

Рассмотрим момент для случая, когда U_вх1>U_вх2 где U_вх2 - входное напряжение, подаваемое на вход 17. С течением времени наступает момент, когда выполняется условие

.

(2)

Элемент сравнения 6 в этот момент 5 вырабатывает импульс, который поступает через элемент ИЛИ 15 на сбрасывающий вход интегратора, на входы триггеров 10 и 12 и вход элемента И 14. Состояние триггера 10 не изменяется, так как на его вход уже приходил такой же импульс. Импульс не пройдет на выход элемента И 14, так как на другой вход этого элемента поступает запрещающий потенциал с триггера 11. Триггер же 12 перебросится импульсом элемента 2 в другое состояние, запрещая при этом поступление импульсов с генератора 6 на вычитающий вход счетчика 4. В счетчике будет находиться количество импульсов, равное

,

(3)

где N₁ - количество импульсов, поступившее на суммирующий вход счетчика; N₂ - количество импульсов, поступившее на вычитающий вход счетчика; t и t₂ - время интегрирования до выполнения условий (1)и (2) соответственно; f - частота генератора 6. Уравнение (3) можно переписать с учетом (1) и (2)

.

(4)

Из (4) видно, что устройство позволяет определить отклонение по отношению к U_Вх1, так как - постоянная величина.

Рассмотрим случай, когда U_Bxl<U_Bx2. В данном примере будет выполняться условие N₂>N₁. Прежде чем наступит момент, когда будет справедливо равенство (2), счетчик 4 перейдет в нулевое состояние. Этот момент зарегистрирует первый элемент И 5, который своим выходным сигналом перебросит триггеры 10 и 12 в другое состояние. При этом триггер 12 запретит поступление импульсов на вычитающий вход счетчика, а триггер 10 дает разрешение прохождению импульсов на суммирующий вход счетчика. Счетчик 4 будет суммировать импульсы, поступающие на его вход до момента времени, когда будет выполняться условие (2) и элемент сравнения выработает импульс, который перебросит триггер 10 в другое состояние. В счетчике будет находиться количество импульсов, определяемое равенством (4), устройство определяет отклонение двух сигналов независимо от того, какой знак носит это отклонение. Для различения знака отклонения можно использовать сигнал, поступающий с выхода первого элемента И 5. При определении отношений двух напряжений в исходное состояние устройство также приводится подачей импульса "сброс". На шину "деление" подается потенциал, при котором ключ 3 подключает ко входу элемента сравнения 2 напряжение U_вx2 клеммы 17 и запрещается поступление импульсов с генератора 6 на вычитающий вход счетчика 4. С приходом импульсов "пуск" интегратор через элемент ИЛИ 15 сбрасывается в нулевое состояние и через формирователь 8 триггер 10 устанавливается в такое положение, при котором своим выходным потенциалом разрешает суммировать импульсы счетчиком 4. Интегратор начинает интегрировать напряжение U_вх1, действующее на клемме 16. С течением времени наступает момент, когда выполняется равенство

,

(5)

где - время интегрирования напряжения U_вх1 до наступления равенства. В этот момент элемент сравнения 2 вырабатывает импульс, поступающий через элемент ИЛИ 15 на сбрасывающий вход интегратора, на входы триггера 10 и 12 и на второй элемент И 14. Триггер 10 переводится импульсом в другое состояние, при котором он запрещает суммирование импульсов генератора 6 счетчиком 4. Импульс с формирователя 9 перебросит триггер 11 и 12 в другое состояние, однако, эти триггеры не окажут никакого влияния на ключ 3 и счетчик 4, так как сигнал с шины "деление" оказывает преобладающее действие на ключ и счетчик.

В момент выполнения равенства (5) в счетчике 4 будет находиться количество импульсов

,

(6)

где - частота генератора 6.

Уравнение (6) можно переписать с учетом выражения (5)

.

(7)

Учитывая, что , из уравнения (7) видно, что устройство определяет отношение двух напряжений в цифровой форме.

В данной работе предложено устройство для определения относительной разности и отношения двух напряжений, обеспечивающее расширение области применения устройства по сравнению с известными решениями.

Литература:

1. В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко Принцип здійснення гнучкого програмного керування елементами вимірювальних систем за аналізом їх експоненціальних параметрів //Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2003. – №2 (18). – С.297-301.

2. Авторское свидетельство СССР № 345444. G01К19/10. Опубл.: 1970.

3. Авторское свидетельство СССР № 458097. Н03К13/20. Опубл.: 1972.

4. Авторское свидетельство СССР №757997, «Аналого-цифровое устройство для определения относительной разности и отношения двух напряжений». Автор: В.С. Тверезовский. G01R19/10, H03K13/20. Опубл.: 23.08.1980, Бюл. №31.

ФИО, звание, степень	Тверезовский Василий Семенович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры Информационных технологий Херсонского национального технического университета.
Домашний и рабочий адрес	г. Херсон ул. Фритаун 80, корп.1, кв.2. Херсонский национальный технический университет. г. Херсон, ул. Бериславское шоссе 24. Тел: д.(80552) 238303, р.(80552)515731.
Научные интересы	Построение информационных измерительных систем, разработка средств измерений.
ФИО, звание, степень	Бараненко Роман Васильевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры Информационных технологий Херсонского национального технического университета.
Домашний и рабочий адрес	г. Херсон ул.И.Кулика 137 в, кв.17. Херсонский национальный технический университет. г. Херсон, ул. Бериславское шоссе 24. Тел: моб.(8066)2106486, д.(80552)312173, р.(80552)515731. E-mail: Scrooger@yandex.ru
Научные интересы	Геоинформационные и информационно-измерительные системы, защита информации.