Степенной преобразователь

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для вычисления корня квадратного из разности известной и неизвестной величин. Целью изобретения является повышение точности преобразования при расширении функциональных возможностей. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь реализует следующее соотношение: где - известная величина, (U_x/U_оп)= Y - неизвестная величина - 1≅Y≅1, и содержит источник 1 опорного напряжения, делитель 2 напряжения, сумматор 3, управляемый квадратурный генератор 4, блок 5 сравнения, блок 6 выборки и хранения с соответствующими связями. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в качестве функционального преобразователя, когда требуется вычислять с высокой точностью значение корня квадратного из разности известной и неизвестной величин.

Искомую величину функции Z для положительных значений аргумента Y можно представить в виде: где C известная величина; Y неизвестная величина, аргумент.

Выражение (1) можно привести к выражению (2): При C=1 выражение (2) тождественно выражению:
Область определения для неизвестной величины будет Y≅1, а при (1/C)<1 лишь сужается область определения для неизвестной величины по отношению к единице.

Аналогичные соображения справедливы и при изменении знака неизвестной величины аргумента, тогда справедливо выражение:

Реализовать выражения (1)-(4) можно с помощью различных степенных преобразователей.

Известно устройство для извлечения квадратного корня [1] содержащее операционные усилители, масштабные элементы и управляемые полевые транзисторы с соответствующими связями.

Недостаток устройства низкая точность для сигналов малой величины при аппроксимации квадратичных зависимостей.

Известно устройство [2] содержащее инверторы, три квадратора, три масштабных блока, блок умножения, ключевой элемент, сумматор с соответствующими связями.

Использование нескольких функциональных преобразователей ограничивает точность вычисления.

Известно устройство [3] содержащее операционный усилитель с масштабными резисторами, интегрирующий конденсатор, включенный в цепь обратной связи и ключа сброса, блок сравнения компаратор, RS-триггер, опорный генератор, RC-фильтр и квадратичный импульсный измерительный преобразователь с соответствующими связями. Устройство довольно сложное, инструментальная точность ограничена.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство [4] содержащее генератор периодических сигналов, блок сравнения, блок выборки и хранения с соответствующими связями. Генератор периодических сигналов требует применения двух интеграторов, дрейф которых ограничивает точность преобразования сигналов малой величины. Устройство позволяет извлекать квадратный корень из входной величины, однако не позволяет вычислять значение корня квадратного из разности известной и неизвестной величин.

Целью изобретения является повышение точности при расширении функциональных возможностей.

Цель в степенном преобразователе, содержащем блок выборки и хранения, блок сравнения и генератор периодических сигналов, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым входом блока сравнения и информационным входом блока выборки и хранения, выход которого является выходом преобразователя, а управляющий вход подключен к выходу блока сравнения, достигается тем, что в него введены источник опорного напряжения, сумматор и делитель напряжения, а генератор периодических сигналов выполнен в виде управляемого квадратурного генератора, вход которого подключен к выходу сумматора, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, входом преобразователя является вход делителя напряжения, выход которого соединен с вторыми входами сумматора и блока сравнения.

Сущность изобретения заключается в оригинальной реализации выражения:

В выражении (5) искомую величину Z можно представить в виде величины неизвестного катета прямоугольного треугольника, гипотенуза которого равна G=[1-(Y/2)] а известная величина катета равна (Y/2).

В таком прямоугольном треугольнике уголь F₀ между известными гипотенузой G и катетом равен:
F₀ arccos(Y/2)/[1-(Y/2)] (6)
Величина неизвестного катета Z равна произведению величины гипотенузы G на синус угла F₀

Функциональная схема преобразователя представлена на чертеже.

Преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения; делитель 2 напряжения; сумматор 3; управляемый квадратурный генератор 4; блок 5 сравнения; блок 6 выборки и хранения.

Блоки в преобразователе соединены следующим образом. Выход источника 1 опорного напряжения подключен к первому входу сумматора 3. Вход преобразователя подключен к входу делителя 2 напряжения, выход которого соединен с вторыми входами сумматора 3 и блока 5 сравнения. Выход сумматора 3 подключен к входу управляемого квадратурного генератора 4, первый выход которого подключен к первому входу блока 5 сравнения, а второй выход подключен к информационному входу блока 6 выборки и хранения. Выход блока 5 сравнения подключен к управляющему входу блока 6 выборки и хранения, выход которого является выходом степенного преобразователя.

Степенной преобразователь работает следующим образом.

Напряжение U1 постоянного тока с выхода источника опорного напряжения поступает на первый вход сумматора 3. Входное напряжение Ux, соответствующее неизвестной величине, поступает на вход делителя 2 напряжения, на выходе которого получают напряжение Ux/2, которое поступает на второй вход сумматора 3 и в качестве порогового напряжения на второй вход блока 5 сравнения.

В зависимости от знака входного напряжения на выходе сумматора 3 получают напряжение U3, которое равно:
U3=U_оп+(U_х/2) U_оп[1+(U_х/2)/U_оп] (8)
U3=U_оп-(U_х/2) U_оп[1-(U_х/2)/U_оп] (9)
Это напряжение поступает на вход управляемого квадратурного генератора 4. Напряжение U3 определяет амплитуду напряжения косинусоидальных колебаний, которое формируется на втором выходе генератора, и амплитуду напряжения синусоидальных колебаний, которое формируется на первом выходе генератора.

Напряжение U_оп выбирают такой величины, что поэтому с учетом (8) и (9) абсолютное значение напряжения U3 может изменяться в пределах:

Напряжение U4-1 на первом выходе квадратурного генератора 4 равно U4 - 1 = U3cosωt (круговая частота ω выбирается из условия требуемого быстродействия выполнения одного цикла вычисления). Это напряжение U4-1 поступает на первый вход блока 5 сравнения. Напряжение на втором выходе квадратурного генератора 4 имеет ту же частоту w и амплитуду U3, что и на первом выходе, и равно напряжению U4 - 2 = U3sinωt. Напряжение U4-2 поступает на информационный вход блока 6 выборки и хранения.

Модуль порогового напряжения U_х/2 на втором входе блока 5 сравнения сравнивается с модулем косинусоидального напряжения U4-1 с амплитудой U3. В момент времени t1, когда , на выходе блока 5 сравнения получают управляющее напряжение U5 в виде импульса логической единицы, длительность которого равна интервалу времени, в течение которого . Это напряжение U5, соответствующее логической "1", определяет режим хранения блока 6 выборки и хранения.

Когда , на выходе блока 5 сравнения получают управляющее напряжение U5 в виде импульса логического "0", длительность которого равна интервалу времени, в течение которого . Это напряжение U5 логического "0" определяет режим выборки для блока 6 выборки и хранения.

Обозначим (U_х/U_оп)= Y, тогда из выражений (8) и (9) получим, что амплитуда на выходах управляемого квадратурного генератора 4 равна U3(max) U_оп[1-(Y/2)]
Интервал от момента времени, когда U4-1 достигает своего экстремума, до момента времени t1, когда U4-1 U_х/2, соответствует главному значению угла, косинус которого равен:
cosωt1 = (Y/2)/[1 - (Y/2)] (11)
Следовательно, в момент времени t1, когда блок 6 выборки и хранения переходит в режим хранения, выполняется равенство:
ωt1 = arccos[(Y/2)/[1 - (Y/2)] (12)
На первый вход блока 6 выборки и хранения со второго выхода управляемого квадратурного генератора 4 поступает синусоидальное напряжение, равное U4 - 2 = [1 - (Y/2)] Uопsinωt. В момент времени, соответствующий моменту времени t1 из выражений (11) и (12), на выходе блока 6 выборки и хранения получают напряжение U6, равное:
U6 = U3(max)sinωt1 (13)
Выражение (12) с учетом (11) можно записать в виде:
U6 U_оп [1-(Y/2)] sinarccos[(Y/2)/[1-(Y/2)] (14)
соответствующее выражения (7), где .

Таким образом, получают искомую функцию в виде выходного напряжения U6, которое равно корню квадратному из разности известной и неизвестной величин.

Устройство имеет методическую погрешность преобразования, равную нулю. Снижение инструментальной погрешности преобразования получают за счет того, что:
источник 1 прецизионного опорного напряжения имеет величину в несколько вольт;
делитель 2 напряжения и сумматор 3 используют прецизионные резисторы;
управляемый квадратурный генератор 4 работает в режиме большого сигнала, что следует из выражений (8) и (9), поэтому его погрешность будет иметь малую величину;
блок 5 сравнения и блок 6 выборки и хранения имеют погрешности около милливольта, что составляет сотые доли процента относительно максимальных величин сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить погрешность преобразования.

Устройство выполнено на стандартных элементах, известных в литературе [5]
управляемый квадратурный генератор 4 представлен в [5а]
блок 4 сравнения приведен в [5б]
блок 6 выборки и хранения выполнен, аналогично [5в]
сумматор 3 аналогичен сумматору на ОУ [5г]
Литература
1. Патент Великобритании N 1484733, G 4 G, 1977г.

2. Авт. св. СССР N 894734, G 06 G 7/20, 1981г.

3. Авт. св. СССР N 955107, G 06 G 7/20, 1982г.

4. Авт. св. СССР N 813461, G 06 G 7/20, 1981г.

5. А. Г. Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых интегральных схем. М. Сов.радио, 1980г.

а) с.137-138; б) с.168; в) с.182; г) с.77;

Формула изобретения

Степенной преобразователь, содержащий блок выборки и хранения, блок сравнения и генератор периодических сигналов, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым входом блока сравнения и информационным входом блока выборки и хранения, выход которого является выходом преобразователя, а управляющий вход подключен к выходу блока сравнения, отличающийся тем, что в него введены источник опорного напряжения, сумматор и делитель напряжения, а генератор периодических сигналов выполнен в виде управляемого квадратурного генератора, вход которого подключен к выходу сумматора, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, входом преобразователя является вход делителя напряжения, выход которого соединен с вторыми входами сумматора и блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1