устройство выбора среднего сигнала

Формула изобретения

Устройство выбора среднего сигнала, содержащее первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий элементы равнозначности, первые входы которых соединены соответственно с выходом первого, второго и третьего усилителей с релейной характеристикой, вторые входы соединены соответственно с выходом второго, третьего и первого усилителей с релейной характеристикой, инвертирующие входы которых подключены соответственно к третьему, первому и второму входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами третьего, первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого элементов равнозначности, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервированния.

Известны устройства для выбора среднего значения сигнала, см., например, описанное в [1] . Устройство содержит несколько входов и выбирает входной сигнал, значение которого лежит между значениями других сигналов.

Однако устройство имеет очень большое количество элементов, в результате чего обладает низкой надежностью, что недопустимо при построении высоконадежных систем.

Известен аналоговый мажоритар для выбора цепей - прототип, описание которого приведено в [2], он предназначен для выбора среднего из трех сигналов, поступающих на его входы. Устройство содержит первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, охваченные общей отрицательной обратной связью и соединенные с соответствующими входами устройства.

Недостаток известного устройства состоит в том, что максимально возможный выходной сигнал этого устройства U_вых.max не может превышать значения U_н/3, где U_н - напряжение насыщения усилителя (максимально возможный выходной сигнал). В системах, где используются аналоговые мажоритарные устройства, входной сигнал U_вх изменяется, как правило, в пределах от минус U_н до U_н, и применение известного аналогового мажоритарного устройства [2] накладывает значительные ограничения на параметры системы: коэффициент передачи, диапазон входных величин, область устойчивой работы.

Задача изобретения - расширение линейной зоны управляющих сигналов.

Эта задача достигается тем, что в устройство выбора среднего сигнала, содержащее первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, неинвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, дополнительно введены первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий элементы равнозначности, первые входы которых соединены соответственно с выходом первого, второго и третьего усилителей с релейной характеристикой, вторые входы соединены соответственно с выходом второго, третьего и первого усилителей с релейной характеристикой, инвертирующие входы которых подключены соответственно к третьему, первому и второму входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами третьего, первого и второго ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого элементов равнозначности, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства.

На чертеже приведена блок-схема устройства выбора среднего сигнала, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий входы устройства, 4, 5, 6 - первый, второй и третий усилители с релейной характеристикой, 7, 8, 9 - первый, второй и третий ключи, 10, 11, 12 - первый, второй и третий элементы равнозначности, 13 - выход устройства.

Первый вход 1 устройства выбора среднего сигнала соединен с сигнальным входом первого ключа 7, неинвертирующим входом первого усилителя 4 и инвертирующим входом третьего усилителя 6, второй вход 2 соединен с сигнальным входом второго ключа 8, инвертирующим входом первого усилителя 4 и неинвертирующим входом второго усилителя 5, третий вход 3 соединен с сигнальным входом третьего ключа 9, инвертирующим входом второго усилителя 5 и неинвертирующим входом третьего усилителя 6. Выход первого усилителя 4 соединен с первым входом первого элемента равнозначности 10 и вторым входом третьего элемента равнозначности 12, выход второго усилителя 5 соединен с первым входом второго элемента равнозначности 11 и вторым входом первого элемента равнозначности 10, выход третьего усилителя 6 соединен с первым входом третьего элемента равнозначности 12 и вторым входом второго элемента равнозначности 11. Выходы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности соединены с управляющими входами второго 8, третьего 9 и первого 7 ключей соответственно, выходы которых соединены с выходом устройства 13.

Устройство выбора среднего сигнала работает следующим образом. Входные сигналы S1, S2 и S3 поступают на входы 1, 2 и 3 соответственно. Одновременно сигнал S1 подается на неинвертирующий вход первого усилителя с релейной характеристикой 4 и инвертирующий вход третьего усилителя с релейной характеристикой 6, сигнал S2 подается на неинвертирующий вход второго усилителя с релейной характеристикой 5 и инвертирующий вход первого усилителя с релейной характеристикой 4, сигнал S3 подается на неинвертирующий вход третьего усилителя с релейной характеристикой 6 и инвертирующий вход второго усилителя с релейной характеристикой 5. Выходные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 усилителей с релейной характеристикой U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно в зависимости от значений входных сигналов S1, S2 и S3 будут определяться в соответствии с табл. 1.

В этой таблице для каждого соотношения входных сигналов S1, S2 и S3 (комбинации с 1 по 6) приведены значения выходных сигналов первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно. При этом низкий уровень сигнала соответствует значению "0", а высокий уровень сигнала - значению "1".

Пусть входные сигналы S1, S2 и S3 соответствуют комбинации 1 табл. 1 (S1 > S2 > S3). В этом случае в соответствии со схемой фиг. 1 на выходе первого усилителя с релейной характеристикой 4 будет высокий потенциал (S1 > S2, - гестерезис усилителя 4, - малая величина, считаем, что |S1-S2|>, на выходе второго усилителя 5 будет также высокий потенциал (S2 > S3, - гестерезис усилителя 5, |S2-S3|>, на выходе третьего усилителя 6 будет низкий потенциал (S3 < S1, - гестерезис усилителя 6, |S1-S3|>, т. e. U1-2 = 1, U2-3 = 1, U3-1 = 0. В соответствии с логикой работы элемента равнозначности выходные сигналы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно будут таковы: U1=1, U2=0, U3=0. Считаем, что высокий потенциал выходного сигнала элемента равнозначности открывает ключ, низкий потенциал - закрывает ключ. Тогда в соответствии со схемой чертежа высокий потенциал первого элемента равнозначности 10 открывает второй ключ 8 и на выходе 13 устройства присутствует сигнал S2, т.e. средний из сигналов S1, S2 и S3.

Аналогично работает устройство выбора среднего сигнала и при других комбинациях входных сигналов S1, S2 и S3. Рассмотрим случай, когда сигналы S1 = S2 = S3 |S1-S2|< |S1-S3|< |S2-S3|< ). В этом случае входные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 усилителей с релейной характеристикой U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно могут принимать любое значение из комбинаций от U1-2 = 0, U2-3 = 0, U3-1 = 0 до U1-2 = 1, U2-3 = 1, U3-1 = 1. При этом выходные сигналы первого 10, второго 11 и третьего 12 элементов равнозначности U1, U2 и U3 соответственно либо все равны "1", либо, по крайней мере, один из них равен "1", т.е. либо открыты все ключи 7, 8 и 9, либо один из них. В рассматриваемом случае не имеет существенного значения, какой из входных сигналов S1, S2 или S3 подается на выход устройства 13.

Эффект от использования предлагаемого устройства выбора среднего сигнала в следующем. В известном устройстве [2] выходной сигнал S" определяется средним из трех входных сигналов S1, S2 или S3 (например, сигналом S2). В рассматриваемом случае, если, например, S1 > S2 > S3, выходной сигнал первого усилителя U1 = -U_m (где U_m - напряжение насыщения усилителя), второго усилителя U₂, третьего усилителя U₃ = U_m. При любой комбинации входных сигналов два усилителя из трех находятся в насыщении - один из усилителей имеет выходной сигнал U_m, другой - минус U_m. Ток I, протекающий через нагрузку, в известном устройстве [2] можно определить как:

I = (-U_m - S")/R + (U₂ - S")/R + (U_m - S")/R, (1)

где R - сопротивление токоограничивающего резистора (реализовано на полевых транзисторах). Принимая, что сопротивление нагрузки R_н >> R, т.е. I = 0 выражение (1) примет вид:

(-U_m - S") + (U₂ - S") + (U_m - S") = 0,

преобразуя последнее получим U₂ = 3S". Так как максимальное значение U₂ = U_m, то максимальное значение выходного сигнала S" ограничено величиной U_m/3. Учитывая, что у устройства-прототипа используются нелинейные выходные токоограничивающие цепи, оно позволяет получить несколько большую линейную зону, чем на простых резисторах. Однако сопротивление нагрузки не бесконечно. А разброс параметров полевых транзисторов, используемых на выходе усилителей, большой, что приведет к смещению рабочей (линейной) зоны относительно нуля. Таким образом линейная зона известного устройства [2] при практической реализации будет значительно меньше, чем напряжение насыщения операционных усилителей. Так как при проектировании линейных систем используется вся линейная зона усилителей, то ограничения, налагаемые устройством-прототипом на область линейного изменения выходного сигнала, не допустимы. Ослабление входного сигнала с последующим использованием усилителя на выходе устройства для его восстановления, как правило, не спасает положение. Т.к. при ослаблении сигнала уровень помех, шумов и наводок остается постоянным, а при усилении - усиливается, что приводит к ухудшению работы в районе ноля (снижению чуствительности, уменьшению динамического диапазона) всей системы, использующей аналоговое мажоритарное устройство, что не приемлемо при построении высокоточных систем.

В рассматриваемом устройстве выбора среднего сигнала "средний" (по амплитуде) входной сигнал без ограничений подается на выход устройства и может принимать любое значение "внутри" линейной зоны ключа, которая, как правило, шире линейной зоны операционных усилителей, что позволяет говорить о расширении линейной зоны устройства выбора среднего сигнала по сравнению с известными решениями.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать операционные усилители, ключи, логические элементы цифровых микросхем любых серий.

Литература

[1] - Патент США N 4,276,648, кл. G 06 F 11/18, от 4 сентября 1979 г. Способ и аппаратура для обнаружения ошибки и выбора среднего значения сигнала.

[2] - Патент США N 3,706,044, кл. G 06 F 11/18, от 29 сентября 1970 г. Аналоговый мажоритар для выбора цепей.