Спосіб посилення керуючих електричних сигналів

Винахід відноситься до області електрики, зокрема, до підсилювальних пристроїв, і може бути використаний для посилення керуючих електричних сигналів і модульованих коливань. Для здійснення посилення електричних сигналів і модульованих коливань в різних областях науки і техніки використовуються різноманітні принципи і прилади: електронні лампи, напівпровідникові прилади, спеціальні прилади НВЧ, та ін. Існують підсилювачі, засновані на параметричному принципі, а саме, періодичній зміні одного з енергоємних елементів коливальної системи, а також квантовомеханічні, магнітні, пневматичні, гідравлічні підсилювачі. Узагальнена схема будь-якого підсилювача містить три основних елементи: джерело енергії, активний елемент і елемент навантаження. Сигнал, що підлягає посиленню, підводиться до активного елемента, а посилений сигнал знімається з елемента навантаження, що може бути активним, реактивним, чи комплексним. Основні властивості процесу посилення тісно зв'язані з формою амплітудної характеристики посилення (статичної характеристики, характеристики вхід-вихід). Ця форма може бути дуже різноманітною, але такою, що збільшує вхідний ефект [див. наприклад, книгу Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. - М: Машиностроение. - 1978.- 736с. нас.108]. Відомий спосіб посилення керуючих електричних сигналів, що називається магнітним посиленням [див. книгу Цыкин Г.С. Усилители электрических сигналов. - М.: Энергия. - 1969. - с.10-12]. Цей спосіб заснований на використанні залежності магнітної проникності феромагнітних матеріалів від їх підмагнічування постійним полем. При цьому коефіцієнт підсилення визначається як відношення ky=dy/dx, де x - вхідна величина, а y - вихідна величина. Істотними недоліками магнітного посилення є його інерційність, складність і невисока чутливість для сигналів малого рівня. Як прототип обраний спосіб посилення керуючих електричних сигналів, що використовує електронні підсилювальні елементи [див. книгу Цыкин Г.С. Усилители электрических сигналов. - М.; Энергия. - 1969. с.22-25]. Особливістю форми амплітудної характеристики електронних підсилювальних елементів є її легко змінювана крутість, що дозволяє підсилювати сигнали дуже малої амплітуди і потужності. У робочій області вхідних сигналів вона звичайно прямолінійна, а при вхідних сигналах, що перевищують припустимі, викривляється через перевантаження підсилювальних елементів. При малих вхідних сигналах вона теж відхиляється від прямої, унаслідок наявності власних шумів підсилювальних елементів. Недоліком електронного способу посилення с наявність власних шумів активних підсилювальних елементів, що не дозволяє підсилювати сигнали, рівень яких лежить значно нижче рівня цих шумів. Цей спосіб може бути обраний як прототип, тому що він має ознаки, загальні зі способом, що заявляється, а саме, перемінний параметр, керований потоком потужності, що надходить у навантаження, а також подібну форму амплітудної характеристики посилення. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створення способу посилення надмалих сигналів, рівень яких значно менше рівня власних шумів активного підсилювального елемента. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі посилення керуючих електричних сигналів, що полягає в регулюванні потоку потужності, що надходить у навантаження, за допомогою перемінного параметра, як перемінний параметр використовують імовірність того, що миттєві значення керуючого електричного сигналу не перевищать по величині миттєвих значень зразкового випадкового електричного сигналу, для чого керуючий електричний сигнал порівнюють зі зразковим випадковим електричним сигналом, а результат порівняння статистично усереднюють. Крім цього, як зразковий випадковий електричний сигнал використовують внутрішній шум активного елемента. Крім цього, результат порівняння статистично усереднюють за часом. Використання, як перемінний параметр, імовірності того, що миттєві значення керуючого електричного сигналу не перевищать по величині миттєвих значень зразкового випадкового електричного сигналу, шляхом порівняння керуючого (посилюваного) сигналу зі зразковим випадковим сигналом, дозволяє реалізувати характеристику вхід-вихід підсилювального типу. У будь-якому активному елементі існують внутрішні шуми, обумовлені дискретною будовою речовин і випадковим рухом у них часток, що дозволяє використовувати енергію таких шумів для посилення сигналів (у тому числі надмалих). Статистичне усереднення за часом дозволяє одержати оцінку значень керуючого посиленого сигналу по єдиній його реалізації. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 показаний вид функції розподілу імовірності; на Фіг.2 - посилення при рівноймовірному розподілі ймовірності і числі реалізацій 1000; на Фіг.3 - посилення при гаусовому розподілі ймовірності і числі реалізацій 1000; на Фіг.4 - структурна схема способу посилення керуючих електричних сигналів; на Фіг.5 - варіант пристрою, що реалізує пропонований спосіб. Спосіб посилення керуючих електричних сигналів полягає в наступному. Відомо, що функція розподілу випадкової величини X з математичним сподіванням Μ і дисперсією s2: ì x - Mü F=í ý = p{X £ x} î s þ (1) де р{X£х} - імовірність того, що випадкова величина X приймає значення, менше чи рівне x. Припустимо, що на випадкову величину X впливають два сигнали: один аддитивно - xа(t), а інший мультипликативно – xm(t). Тоді (1) буде мати вид ìx -Mü F=í ý = p{x m ( t ) X + x a ( t ) £ x} î s þ (2) Тому що ì x - xa (t ) ü p{xm ( t ) X + xa ( t ) £ x} = píX £ ý xm(t ) þ î тоді ì x - Mü ì x(t) - M ü Fam í ý = Fí ý î s þ î s þ (3) дє x - xa (t) x(t) = xm ( t) (4) З (3) випливає, що зміни функції розподілу імовірності випадкової величини, викликані зовнішніми впливами, визначаються функціями розподілу виду ì x( t ) - M ü F=í ý = p{X £ x( t )} î s þ (5) де x(t) - сигнал, що враховує зовнішні впливи на випадкову величину X. Вид функції розподілу імовірностей, обумовлених співвідношенням (5) доказаний на Фіг.1. Порівняння показаної на Фіг.1 характеристики з добре відомими характеристиками, наприклад, електронних підсилювальних елементів дозволяє зробити висновок про те, що при досить великій крутості функції розподілу імовірності відбувається посилення керуючого сигналу, що спостерігається як зміна функції розподілу імовірності випадкової величини. Тому що крутість функції розподілу імовірності визначається співвідношенням d ìx -Mü 1 æ x -M ö Fí ÷ ý = wç dx î s þ s è s ø (6) ì x - Mü í ý s þ дє î - щільність імовірності, то умова здійснення посилення має вид 1 æ x -Mö wç ÷>1 s è s ø (7) Приймаючи до уваги властивості щільностей імовірностей, одержуємо 1 æ x -Mö lim s wç s ÷ = d( x - M) ø è s® 0 (8) де d(x-Μ) - дельта-функція Дірака. З (8) випливає, що при прямуванні дисперсії випадкової величини до нуля крутість функції розподілу імовірності цієї випадкової величини необмежено зростає в точці, що відповідає її математичному сподіванню. Визначимо критичну дисперсію випадкової величини як 2 s s = w 2 ( 0) (9) Тоді, якщо дисперсія випадкової величини менше критичної, то відбувається посилення керуючого сигналу, що спостерігається як зміна функції розподілу імовірності випадкової величини. Тобто прирощування функції розподілу імовірності випадкової величини буде перевищувати прирощування керуючого сигналу, що його викликало. Це підтверджується результатами моделювання процесу посилення при зменшенні дисперсії випадкової величини для випадків рівноймовірного і гаусового розподілів імовірностей (Фіг.2, 3). Якщо кожна Χ1, і=`1,N реалізація з безлічі N реалізацій випадкової величини X перетвориться (квотується за рівнем) відповідно до алгоритму ì1 при X i £ x( t ) ï ui ( t ) = í ï0 при X i > x( t ), i = 1,N î тоді (10) 1 N å ui(t ) N i =1 (11) являє собою незміщену і слушну оцінку функції розподілу імовірності випадкової величини X. Отже, будь-який пристрій, що виконує сукупність перетворень (10), (11) при докритичній дисперсії випадкової величини X, завжди підсилює керуючий сигнал. Співвідношення (10), (11) є основою створення підсилювачів надмалих сигналів, що використовують власні шуми активних підсилювальних елементів. Структурна схема способу показана на Фіг.4. Керуючий 1 і зразковий випадковий 2 електричні сигнали порівнюють за рівнем у блоці порівняння 3 і статистично усереднюють у блоці 4 усереднення. Після усереднення одержують посилений керуючий сигнал 5. що подають у навантаження. Таким чином, потік потужності, що надходить у навантаження, регулюють за допомогою перемінного параметра. Як перемінний параметр використовують імовірність того, що миттєві значення керуючого електричного сигналу 1 не перевищують по величині миттєвих значень зразкового випадкового електричного сигналу 2. Посилення керуючого сигналу 1, спостерігають як зміну функції розподілу імовірності випадкової величини. Тобто прирощування функції розподілу імовірності випадкової величини перевищує прирощування керуючого сигналу, що його викликав. Крім того, як зразковий випадковий електричний сигнал 2 використовують внутрішній шум активного елемента - блоку 3 порівняння, тобто енергію цих шумів для посилення керуючого сигналу. F * (t) = Крім того, результат порівняння, одержуваний у блоці 3, статистично усереднюють за часом у блоці 4. Статистичним усередненням за часом одержують оцінку значень посиленого керуючого сигналу по єдиній його реалізації. Один з можливих варіантів пристрою, що реалізує пропонований спосіб містить послідовно з'єднані компаратор 6, один вхід якого є входом керуючого сигналу 1, а інший вхід - входом зразкового випадкового сигнал) 2, елемент затримки 7, інверсним входом відніматель 8, прямий вхід якого приєднаний до виходу компаратора 6. та інтегратор 9. вихід якого є виходом посиленого керуючого сигналу 5 (Фіг.5). Керуючий електричний сигнал 1, який підлягає посиленню, подається на один із входів компаратора 6, на інший вхід якого надходить зразковий випадковий електричний сигнал 2. Сигнал 2 може формуватися за допомогою генератора шуму, чи може бути використаний внутрішній шум активного елемента компаратора 6, що носить випадковий характер. На виході компаратора 6 виробляється випадковий сигнал порівняння, що відображає імовірність того, що миттєві значення керуючого сигналу 1 не перевищують по величині миттєвих значень зразкового випадкового сигналу 2. Наприклад, якщо миттєві значення керуючого сигналу 1 менше миттєвих значень сигналу 2, то на виході компаратора 6 виробляється високий рівень сигналу, у противному випадку - низький рівень. При цьому, якщо дисперсія випадкової величини менше критичної, то відбувається посилення керуючого сигналу 1, що спостерігається як зміна функції розподілу імовірності випадкової величини. Тобто прирощування функції розподілу імовірності випадкової величини буде перевищувати прирощування керуючого сигналу 1, що його викликало. Сигнал, що знімається з виходу компаратора 6 статистично усереднюється за часом (статистично згладжується), що дозволяє використовувати єдину його реалізацію. Для цього із сигналу, що знімається з виходу компаратора 6, віднімається такий же сигнал, затриманий на час t, а отримана різниця інтегрується за часом. Вибір часу t визначається необхідною точністю оцінки значень керуючого сигналу. Чим більше час t, тим вище точність оцінки. Затримка сигналу здійснюється елементом затримки 7 (наприклад, лінією затримки, регістром, ПЗП, та ін.), вирахування - віднімателем 8 (наприклад, диференціальним підсилювачем), а інтегрування - інтегратором 9 (наприклад, підсилювачем, що інтегрує, RC-ланцюгом, та ін.). При цьому часова затримка г вибирається рівною часу інтегрування інтегратором 9. Сигнал, що знімається з виходу інтегратора 9 надходить у навантаження. Таким чином, спосіб здійснює посилення електричних керуючих і модульованих сигналів. У порівнянні з прототипом пропонований спосіб дозволяє підсилювати керуючі і модульовані сигнали, рівень яких лежить значно нижче рівня власних шумів підсилювальних елементів, використовуючи енергію цих шумів.