Цифровий стохастичний вимірювач відношення випадкових напруг

Цифровий стохастичний вимірювач відношення випадкових напруг, який містить два елементи вибірки-зберігання, аналого-цифровий перетворювач, перший регістр, одновібратор, перший D-тригер, лічильний тригер, груповий мультиплексор, перший елемент затримки, перетворювач код-ймовірність і реверсивний лічильник, причому інформаційні входи першого і другого елементів вибіркизберігання є входами вимірювача, входи керування елементів вибірки-зберігання об'єднані і підключені до прямого виходу одновібратора, до інверсного виходу якого приєднаний вхід запуску аналого-цифрового перетворювача, виходи першого і другого елементів вибірки-зберігання підключені відповідно до інформаційного входу і входу опорної напруги аналого-цифрового перетворювача, цифрові виходи якого приєднані до інформаційних входів першого регістра, синхронізуючий вхід якого підключений до виходу сигналу "кінець перетворення" аналого-цифрового перетворювача, цифрові виходи першого регістра з'єднані з першою групою входів групового мультиплексора, друга група входів якого приєднана до цифрових виходів реверсивного лічильника, цифрові виходи групового мультиплексора з'єднані з керуючими входами перетворювача код-ймовірність, тактовий вхід якого підключений до виходу першого елемента затримки, а до виходу перетворювача код-ймовірність приєднаний тактовий вхід ревер C2 (54) ЦИФРОВИЙ СТОХАСТИЧНИЙ ВИМІРЮВАЧ ВІДНОШЕННЯ ВИПАДКОВИХ НАПРУГ 41436 Винахід належить до вимірювальної техніки і призначений для вимірювання середнього значення відношення випадкових напруг і, зокрема, може бути використаний в геофізичній апаратурі для пошуку і розвідки родовищ корисних копалин акустичними і електромагнітними методами. Відомий вимірювач, який складається із підсилювача з керованим коефіцієнтом підсилення, зарядного і розрядного дозуючих конденсаторів, двох повторювачів струму і запам'ятовуючого конденсатора [1]. Недоліком цього пристрою є залежність його інерційності від параметрів вхідних сигналів, що обумовлює додаткову похибку вимірювання при великому динамічному діапазоні зміни значень вхідних сигналів. Відомий також стохастичний цифровий вимірювач відношення двох сигналів, який складається із перемикача, цифроаналогового перетворювача, перетворювача код-ймовірність, який містить генератор випадкових чисел і схему порівняння, регістра пам'яті, першого і другого суматорів, блока задання кроку, тактового генератора, елемента затримки, тригера, формувача імпульсів і схеми порівняння [2]. Цей вимірювач забезпечує вимірювання відношень двох випадкових сигналів шляхом вагового усереднення їх миттєвих значень, причому, при постійному кроці γ(і)=γ0 його вихідний параметр визначається із співвідношення i i é æ ö ù ö æ X X2 X2 N(i) = M 0 1 ê1 - ç1 g 0 ÷ ú + N 0 ç1 g0 ÷ , ÷ ç N X 2 ê ç Nmax ÷ ú max ø û ø è ë è зберігання з'єднаний з інформаційним входом аналого-цифрового перетворювача, до входу опорної напруги якого підключений вихід другого елемента вибірки-зберігання, до інверсного виходу одновібратора під'єднаний вхід запуску аналогоцифрового перетворювача, цифрові виходи якого з'єднані з інформаційними входами регістра, вихід сигналу "кінець перетворення" цифро-аналогового перетворювача з'єднаний з другим входом елемента прив'язки, до виходу якого підключені вхід установки в нуль RS-тригера і синхронізуючий вхід регістра, цифрові виходи останнього з'єднані з першою групою входів групового мультиплексора, друга група входів якого з'єднана з виходами реверсивного лічильника, які є виходами пристрою, до виходу лічильного тригера підключені адресний вхід групового мультиплексора і вхід керування реверсивного лічильника, цифрові виходи мультиплексора з'єднані з входами керування перетворювача код-ймовірність, вихід якого з'єднаний з тактовим входом реверсивного лічильника [3]. Цей пристрій (прототип) виконує вимірювання відношення середніх значень випадкових напруг з постійною інерційністю, однак йому властиві наступні недоліки: - невисока швидкодія, обумовлена тим, що для нормальної роботи пристрою період Т проходження імпульсів на виході тактового генератора повинен задовольняти нерівності Т>tс+tпр, де tс - тривалість стробуючого імпульса на виході одновібратора, tпр - час перетворення напруги в двійковий код аналого-цифровим перетворювачем; - відсутність індикації знака вихідного параметра при переході останнього через нуль внаслідок зміни знака дільника напруги, що обмежує функціональні можливості пристрою. Задачею винаходу є розширення функціональних можливостей пристрою. Для вирішення цієї задачі у вимірювач, який містить два елементи вибірки-зберігання, аналогоцифровий перетворювач, перший регістр, одновібратор, перший D-тригер, лічильний тригер, груповий мультиплексор, перший елемент затримки, перетворювач код-ймовірність і реверсивний лічильник, причому інформаційні входи першого і другого елементів вибірки-зберігання є входами вимірювання, входи управління елементів вибірки-зберігання об'єднані і підключені до прямого виходу одновібратора, до інверсного виходу якого приєднаний вхід запуску аналого-цифрового перетворювача, виходи першого і другого елементів вибірки-зберігання підключені, відповідно, до інформаційного входу і входу опорної напруги аналогоцифрового перетворювача, цифрові виходи якого приєднані до інформаційних входів першого регістра, синхронізуючий вхід якого підключений до виходу сигналу "кінець перетворення" аналого-цифрового перетворювача, цифрові виходи першого регістра сполучені з першою групою входів цифрового мультиплексора, друга група входів якого приєднана до цифрових виходів реверсивного лічильника, цифрові виходи групового мультиплексора з'єднані з керувальними входами перетворювача код-ймовірність, тактовий вхід якого підключений до виходу першого елемента затримки, а до де М0 - постійне число, Nmax - максимальне значення коду, який може бути перетворений з допомогою цифро-аналогового перетворювача, N0=N(0). Із виразу для N(і) видно, що інерційність прототипу є функцією параметра X 2 , який входить у i ö æ X2 вагову функцію h(i ) = ç 1 g 0 ÷ . Ця обставина ÷ ç N max ø è не дозволяє забезпечити постійну інерційність виX мірювання відношення 1 , за рахунок чого виниX2 кають додаткові динамічні похибки вимірювання. Найбільш близьким по технічній суті до пристрою за винаходом є пристрій, який містить два елементи вибірки-зберігання, генератор тактових імпульсів, RS-тригер, одновібратор, аналогоцифровий перетворювач, елемент прив'язки, регістр, лічильний тригер, елемент затримки, груповий мультиплексор, перетворювач код-ймовірність і реверсивний лічильник, причому прямий вихід генератора тактових імпульсів з'єднаний з входом установки в одиницю RS-тригера, тактовим входом лічильного тригера і через елемент затримки з входом перетворювача код-ймовірність, до інверсного виходу генератора тактових імпульсів під'єднаний один із входів елемента прив'язки, прямий вихід RS-тригера підключений до входу одновібратора, до прямого виходу якого під'єднані входи управління першого і другого елементів вибірки-зберігання, інформаційні входи яких є входами пристрою, вихід першого елемента вибірки 2 41436 виходу перетворювача код-ймовірність приєднаний тактовий вхід реверсивного лічильника, додатково введені три диференціюючі елементи, логічні елементи "&" і "І", два випрямлячі, другий Dтригер, другий регістр, другий елемент затримки і шина потенціалу логічної одиниці, при цьому вхід першого диференціюючого елемента приєднаний до шини потенціалу логічної одиниці, перший вхід логічного елемента "І" об'єднаний з тактовим входом першого D-тригера і підключений до виходу сигналу "кінець перетворення" аналого-цифрового перетворювача, другий вхід логічного елемента "І" приєднаний до виходу першого диференціюючого елемента, куди також підключені входи установки в нуль лічильного тригера і другого D-тригера, Dвхід першого D-тригера підключений до виходу сигналу "знак" аналого-цифрового перетворювача, вихід логічного елемента "І" під'єднаний до входу запуску одновібратора, до прямого виходу якого підключені об'єднані адресний вхід групового мультиплексора, перший вхід логічного елемента "&" і вхід другого диференціюючого елемента, вхід третього диференціюючого елемента об'єднаний з D-входом другого D-тригера і підключений до прямого виходу першого D-тригера, вихід другого диференціюючого елемента через перший випрямляч під'єднаний до входу першого елемента затримки, вихід третього диференціюючого елемента через другий випрямляч з'єднаний з тактовим входом лічильного тригера, вхід установки в одиницю якого об'єднаний з тактовим входом другого D-тригера і входом установки в нуль реверсивного лічильника і підключений до виходу сигналу "позика" останнього, вихід лічильного тригера з'єднаний з другим входом логічного елемента "&", до виходу якого підключений вхід керування реверсивного лічильника, цифрові виходи останнього з'єднані з інформаційними входами другого регістра, вхід синхронізації якого через другий елемент затримки приєднаний до виходу перетворювача код-ймовірність, цифрові виходи другого регістра є виходами вимірювача, а вихід другого D-тригера є виходом знака вихідного сигналу. Суть винаходу пояснюється кресленнями на фігурі. Вимірювач складається із першого 1 і другого 2 елементів вибірки-зберігання, аналого-цифрового перетворювача 3, шини потенціалу логічної одиниці 4, першого, другого і третього диференціюючих елементів 5, 6 і 7 і першого і другого Dтригерів 8 і 9, першого і другого регістрів 10 і 11, логічного елемента "І" 12, одновібратора 13, першого і другого випрямлячів 14 і 15, лічильного тригера 16, групового мультиплексора 17, першого і другого елементів затримки 18 і 19, логічного елемента "&" 20, перетворювача код-ймовірність 21, реверсивного лічильника 22, входу дільника 23, входу дільника 24, виходу результату 25 і виходу знака результату 26. Аналогові входи елементів 1 і 2 вибірки-зберігання під'єднані відповідно до вхідних шин 23 і 24 пристрою. Входи керування елементів 1, 2 вибіркизберігання об'єднані і підключені до прямого виходу одновібратора 13, куди також під'єднані вхід другого диференціюючого елемента 6, вхід адреси групового мультиплексора 17 і перший вхід логічного елемента "&" 20. До інверсного виходу одно вібратора 13 підключений вхід запуску аналогоцифрового перетворювача 3. Виходи першого і другого елементів вибірки-зберігання 1 і 2 під'єднані відповідно до інформаційного входу і входу опорної напруги аналого-цифрового перетворювача 3, цифрові виходи якого з'єднані з інформаційними входами першого регістра 10, синхронізуючий вхід якого об'єднаний з першим входом логічного елемента "І" 12 і лічильним входом першого D-тригера 8. До виходів регістра 10 підключена перша група входів групового мультиплексора 17. Другий вхід логічного елемента "І" 12 об'єднаний із входами установки в нуль D-тригера 9, лічильного тригера 16 і через перший диференціюючий елемент 5 підключений до шини потенціалу логічної одиниці. До виходу сигналу "знак" аналого-цифрового перетворювача 3 приєднаний D-вхід тригера 8, прямий вихід якого сполучений з D-входом тригера 9 і через послідовно з'єднані диференціюючий елемент 7 і випрямляч 15 - з тактовим входом лічильного тригера 16. Вихід логічного елемента "І" 12 приєднаний до входу запуску одновібратора 13. Вихід диференціюючого елемента 6 через послідовно з'єднані випрямляч 14 і елемент затримки 18 підключений до тактового входу перетворювача код-ймовірність 21. Вихід тригера 16 з'єднаний з другим входом логічного елемента "&" 20. Лічильний вхід D-тригера 9 з'єднаний з входом установки в одиницю тригера 16, входом установки в нуль реверсивного лічильника 22 і його виходом "позика". Друга група входів групового мультиплексора 17 об'єднана з інформаційними входами регістра 11 і підключена до цифрових виходів реверсивного лічильника 22, вхід управління якого з'єднаний з виходом логічного елемента "&" 20, а тактовий вхід реверсивного лічильника 22 підключений до виходу перетворювача кодймовірність 21, куди також через елемент затримки 19 приєднаний синхронізуючий вхід регістра 11. Виходи групового мультиплексора 17 підключені до входів управління перетворювача код-ймовірність 21. Виходи регістра 11 під'єднані до вихідної шини 25, а вихід D-тригера 9 - до виходу 26. Пристрій реалізує вимірювання відношення напруг з постійною інерційністю, а також виробляє знак вихідного сигналу. На вхід 23 поступає випадкова напруга U1(t), а на вхід 24 - випадкова напруга U2(t), причому випадкові процеси {U1(t)} і {U2(t)} є стаціонарними (локально стаціонарними) на інтервалі усереднення. В момент включення вимірювача, на виході диференціюючого елемента 5 формується короткий імпульс позитивної полярності, який обнуляє D-тригер 9, лічильний тригер 16 і через логічний елемент "І" 12 запускає одновібратор 13. На прямому виході останнього формується імпульс позитивної полярності, під час дії якого в елементах вибірки-зберігання 1 і 2 здійснюється вибірка чергових і-их значень сигналів U1(tі) і U2(tі) в моменти tі. Після закінчення дії імпульсу з прямого виходу одновібратора 13 елементи 1 і 2 переходять в режим зберігання вибраних значень. Запам'ятовані напруги U1(tі) і U2(tі) з виходів елементів вибірки-зберігання 1 і 2 поступають відповідно на інформаційний вхід і вхід опорної напруги аналого-цифрового перетворювача 3, а останній запускається заднім фронтом імпульсу з ін 3 41436 версного виходу одновібратора 13. Після перетворення напруги U1(tі) в код, на інформаційних виходах аналого-цифрового перетворювача 3 виникає двійкове число U (t ) ni = k 1 i , U 2(t i ) де k - постійний коефіцієнт. Після завершення перетворення, на виході "кінець перетворення" аналого-цифрового перетворювача 3 виникає короткий імпульс позитивної полярності, а на виході сигналу "знак" виникає потенціал логічного нуля, якщо U1(tі)>0, і потенціал логічної одиниці - в іншому випадку. Імпульсом "кінець перетворення" число nі записується в регістр 10, потім знову запускається одновібратор 13, і процес вибірки-зберігання і аналого-цифрового перетворення багаторазово повторюється. Таким чином, в процесі роботи вимірювача на виході одновібратора 13 формується послідовність імпульсів, а на виході регістра 10 - послідовність випадкових чисел {nі} частотою f, де 1/f=const - час аналого-цифрового перетворення. Одночасно з формуванням двійкових чисел nі виконується їх вагове усереднення і визначення знака результату вимірювань. Розглянемо спочатку процедуру вагового усереднення, для чого припустимо, що на виході тригера 16 існує потенціал логічної одиниці, який дає дозвіл на проходження імпульсів з прямого виходу одновібратора 13 через елемент "&" 20 на вхід керування реверсивного лічильника 22 і на вхід подвоювача частоти, який складається із послідовно з'єднаних диференціюючого елемента 6 і випрямляча 14. При наявності на адресному вході групового мультиплексора 17 потенціалу логічної одиниці, на його виході з'являється двійкове число nі, яке подається на його першу групу входів, а при наявності потенціалу логічного нуля - двійкове число N(t), яке подається на другу групу входів мультиплексора 17 з виходів реверсивного лічильника 22. Синхронно з чередуванням на виході мультиплексора 17 чисел nі і N(t), лічильник 22 переводиться із режиму додавання на режим віднімання (режим додавання забезпечується наявністю на вході керування лічильника потенціалу логічної одиниці, а режим віднімання - логічного нуля). Вихідний сигнал мультиплексора 17 подається на керуючі входи перетворювача код-ймовірність 21, який під дією імпульсів, що надходять на його тактовий вхід, видає вихідні імпульси з ймовірністю, пропорційною значенню двійкового числа на його керуючих входах. Вихідний імпульс перетворювача 21 подається на тактовий вхід реверсивного лічильника 22 і додається чи віднімається від загальної кількості накопичених у лічильнику імпульсів у залежності від значення потенціалу на керуючому вході лічильника 22. Таким чином, за час dt вміст N(t) реверсивного лічильника 22 зміниться на величину é U (t) ù dN( t ) = f 2 - P êk 1 - N( t )údt , U2(t) ë û де Р - розрядність керуючих входів лічильника 22. Розв'язок цього рівняння при початковій умові N(0)=N0 має вигляд N( t ) = k U1( t ) é t ù t 1 - exp( - )ú + N 0 exp( - ) , X X û U2(t) ê ë 2P - постійна часу вимірювання. f В усталеному режимі U (t ) N( ¥ ) = k 1 . U2 (t ) Таким чином, постійна часу вимірювань є константою, а вихідне двійкове число пропорційне відношенню середніх значень вхідних випадкових напруг. Розглянемо процедуру визначення знака результату вимірювань для випадків, коли напруга U1(t) є позитивною і негативною. У випадку, коли U1(t)>0, на виході сигнала "знак" аналого-цифрового перетворювача 3 виробляється потенціал логічного нуля, який, поступаючи на D-вхід тригера 8, дозволяє перевід його по тактовому входу в нульовий стан. При U1(t)