Устройство для измерения среднего значения произведения двух величин

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться в измерительных приборах и системах, а также в соседних областях науки и техники при необходимости определения корреляционных связей широкополосных процессов. Цель изобретения - расширение области применения за счет изменения информационной полосы частот измеряемых сигналов. Устройство содержит блоки сравнения, мультиплексоры, генератор псевдослучайной последовательности, источник опорного напряжения и реверсивный счетчик. 1 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может использоваться также в соседних областях науки и техники при необходимости определения корреляционных связей и энергетических характеристик широкополосных процессов.

Известно устройство измерения среднего значения произведения двух величин (в данной реализации: тока и напряжения), основанное на использовании метода широтно-импульсной модуляции и состоящее из последовательно соединенных преобразователя тока в напряжение, преобразователя напряжения во временной интервал и ключа, выход которого соединен с фильтром нижних частот, на второй вход подается вторая измеряемая величина - напряжение, а вход управления связан со входом управления преобразователя напряжения во временной интервал и выходом генератора тактовых импульсов.

Недостатком устройства является ограниченный частотный диапазон входных величин. Известно, что подобные устройства могут измерять среднее значение величин с шириной спектра до ≈100 кГц при тактовой частоте 3 мГц. Наиболее инерционным элементом здесь является преобразователь напряжения (или любой другой величины) во временной интервал (т. е. широтно-импульсный модулятор), и сколько-нибудь существенное расширение его частотных свойств (при сохранении точностных характеристик) связано с решением очень серьезных проблем в технологии изготовления элементной базы.

В качестве прототипа может быть взято устройство измерения среднего значения произведения двух величин, содержащее две схемы сравнения (СС), первые входы которых являются входами устройства, а вторые входы соединены с выходами первого и второго генераторов шума (ГШ) соответственно; выходы схем сравнения соединены с первым и вторым входом схемы эквивалентности, выход которой соединен со входом счетчика.

Работа устройства-прототипа основана на использовании стохастического метода, в соответствии с которым случайные сигналы, генерируемые генераторами шума, поступают на входы схем сравнения. При совпадении состояний схем сравнения на выходе схемы эквивалентности появляется потенциал, который приводит к увеличению состояния счетчика на единицу (работа счетчика синхронизируется генератором тактовых импульсов).

Число импульсов N, зарегистрированных счетчиком, в пределе стремится к величине N = K₁X₁X₂ + K₂, где К₁ и К₂ - const; Х₁ и Х₂ - первая и вторая измеряемые величины. Таким образом, счетчик выполняет функцию, аналогичную фильтру нижних частот в устpойстве-аналоге.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность использования его для измерения среднего значения произведения величин с шириной спектра больше нескольких мегагерц. Наиболее инерционным элементом устройства является ГШ. Максимальное быстродействие и наилучшие метрологические характеристики ГШ можно получить при его построении на основе генератора псевдослучайной последовательности ГПСП и цифроаналогового преобразователя. В такой реализации самым инерционным блоком ГШ является ЦАП, содержащий аналоговую часть, т. е. быстродействие ГШ определяется быстродействием ЦАПа. У самого быстродейст- вующего ЦАПа К1118ПАЗ, выпускаемого промышленностью, время преобразования (время установления выходной величины) равно τ_ЦАП= 10 нс. Если учесть, что правильное состояние СС возможно только после "успокоения" как ЦАПа, так и СС, то можно считать, что общим временем "успокоения" ГШ является время τ≥τ_ЦАП+τ_сс, где τ_cc- время успокоения СС.

Самой быстродействующей отечественной СС является микросхема 597СА1 со временем переходного процесса τ_cc= 6,5 нс, следовательно, τ≥16,5 нс. С учетом остальных элементов (цифровой логики - значительно более быстродействующей) общее время "успокоения" можно считать ≈20 нс и, следовательно, максимальная тактовая частота составит примерно f_т = 50 МГц.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение информационной полосы частот входных сигналов. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее по одной схеме сравнения в каждом из двух каналов, первые входы которых являются входами устройства, схему эквивалентности, прямой выход которой соединен с суммирующим входом счетчика, выход которого является выходом устройства, введены по (n-1) схем сравнения в каждый из двух каналов, первые входы которых в каждом канале объединены и соединены с соответствующим входом устройства, а второй вход i-й схемы сравнения (i = 1, n) соединен с i-м выходом источника опорного напряжения, причем выходы схем сравнения соединены в каждом канале с соответствующим информационным входом логического коммутатора, входы управления которых соединены с соответствующими выходами генератора псевдослучайной последовательности, синхронизирующий вход которого соединен с шиной синхронизации и с синхронизирующим входом счетчика, вычитающий вход счетчика соединен с инверсным выходом схемы эквивалентности, первый и второй входы которой соединены с выходами первого и второго логического коммутатора соответственно.

Благодаря этому в устройстве исключен самый инерционный элемент - ЦАП, что повышает быстродействие устройства, а следовательно, и расширяет частотный диапазон входных величин при сохранении точности преобразования.

Среди известных устройств нет таких, которые обладали бы совокупностью указанных свойств (частотный диапазон входных величин и точность преобразования), поэтому можно считать предложенные отличия (введенные дополнительно в каждый канал (n-1) СС, логический коммутатор, замену ГШ на ГПСП и счетчика на реверсивный счетчик), удовлетворяющими условиям существенности.

На чертеже показана структурная схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит по n схем сравнения (СС) 1 в каждом из двух каналов, источник опорного напряжения (ИОН) 2, по одному логическому коммутатору (мультиплекатору) ЛК 3 на канал, двухканальный генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП) 4, схему эквивалентности (СЭ) 5 и реверсивный счетчик (РС) 6, причем все первые входы СС 1 в каждом канале объединены и являются входами устройства, вторые входы i-ых СС 1 соединены с i-м выходом ИОН 2, а выходы СС 1 - с соответствующими входами ЛК 3, входы управления которых соединены с соответствующими входами ГПСП 4, а выходы - с соответствующими входами СЭ 5, прямой и инверсный выходы которой соединены с суммирующим и вычитающим входом РС 6 соответственно, синхронизирующий вход которого соединен с синхронизирующим входом ГПСП 4 и с шиной синхронизации, а выход РС 6 является выходом устройства. СС 1, ЛК 3, СЭ 5 и РС 6 являются типовыми элементами цифровой техники и реализуются стандартным образом.

ИОН 2 формулирует на своих выходах опорные напряжения U_i в диапазоне ±U_m: U_i = -U_m + iΔ - , i = 1, n, где i - номер выхода; Δ= - шаг квантования. Блок может быть реализован на собственном источнике напряжения и резисторном делителе на выходе.

ГПСП 4 формирует на своих выходах псевдослучайную дискретную двоичную последовательность с числом разрядов m = log₂n и может быть реализован, например, в виде двух генераторов М-последовательности (по одному на канал).

Устройство измерения среднего значения произведения двух величин работает следующим образом.

На входы устройства поступают два напряжения u₁(t) и u₂(t), функционально связанные с измеряемыми величинами. На очередном такте в ГПСП 4 формируются две независимые случайные последовательности, значения которых играют роль адреса для ЛК 3. Таким образом на входы СЭ 5 поступают два двоичных сигнала со случайно выбранных СС 1. Если сигналы эквивалентны ("00" или "11"), то на прямом выходе СЭ 5 появляется сигнал "1" и состояние счетчика РС 6 увеличивается на единицу. В противоположном случае сигнал "1" появляется на инверсном выходе СЭ 5 и состояние РС 6 уменьшается на единицу.

В совокупности элементы устройства составляют стохастический множительный элемент, для которого состояние счетчика РС 6 в пределе равно N = k₁u₁(t)u₂(t) + k₂, причем за счет применения реверсивного счетчика k₂ = 0, k₁ = f_тТU_m^-2, где f_т - тактовая частота; Т - время измерения; ±U_m - динамический диапазон входных напряжений.

Такая реализация устройства позволяет повысить быстродействие (за счет изъятия самого инерционного элемента - ЦАПа) и, следовательно, расширить информационную полосу частот входных сигналов. В предлагаемом устройстве основным инерционным элементом остается СС, так как остальные узлы реализуются на основе цифровых микросхем, наиболее быстрые из которых (серии ЭСЛ) имеют время "успокоения" 1-2 нс. Поэтому, если наиболее быстрая СС 597СА1 имеет быстродействие 6,5 нс, то общее время "успокоения" будет примерно равно ≈10 нс, следовательно, тактовая частота может быть взята f_т = 100 МГц, т. е. в два раза больше, чем у прототипа.

Для обеспечения аналогичной точности, что и у прототипа, число схем сравнения в каждом из каналов (n) должно быть равно 2^m, где m - разрядность ЦАПа в устройстве-прототипе.

Так для m = 7 число СС будет равно 27 = = 128. Однако сложность устройства не увеличится, так как промышленностью освоен выпуск матричных кристаллов, которые могут содержать достаточно большое число элементов (в данном случае схем сравнения) в одном корпусе.

Кроме того, этот кристалл может содержать также и часть ИОН - делитель из резисторов - из расчета один резистор на одну СС.

Таким образом, в сравнении с прототипом предложенное устройство имеет не менее, чем в 2 раза, более широкую полосу частот информационных сигналов при сохранении точности и конструктивной простоты.

(56) Ориатский П. П. Автоматические измерения и прибоpы. К. Вища школа, 1980, с. 125.

Ориатский П. П. Автоматические измерения и приборы. К. Вища школа, 1980, с. 41.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВУХ ВЕЛИЧИН, содержащее два блока сравнения, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и счетчик, выход которого является выходом устройства, первый и второй информационные входы которого соединены с первыми входами первого и второго блоков сравнения, прямой выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с суммирующим входом счетчика, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет увеличения полосы частот входных сигналов, в него введены два мультиплексора, источник опорного напряжения, две группы блоков сравнения, генератор псевдослучайной последовательности чисел, счетчик выполнен реверсивным, вход синхронизации которого соединен с входом синхронизации генератора псевдослучайной последовательности чисел и является тактовым входом устройства, первый и второй информационные входы которого соединены с первыми входами блоков сравнения одноименной группы, выходы источника опорного напряжения подключены к вторым входам первого и второго блоков сравнения и блоков сравнения групп, выходы "Равно" первого блока сравнения и блоков сравнения первой группы подключены к информационным входам первого мультиплексора, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора псевдослучайной последовательности чисел, второй выход которого подключен к управляющему входу второго мультиплексора, информационные входы которого соединены с выходами "Равно" второго блока сравнения и блоков сравнения второй группы, выходы мультиплексоров соединены с входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инверсный выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1