способ дифференцирования аналогового напряжения

Формула изобретения

Способ дифференцирования аналогового напряжения, включающий определение разности между дискретами, отличающийся тем, что дискреты формируют на основе широтно-импульсной модуляции в виде длительности импульсов, пропорциональной значению аналогового напряжения, а выходной сигнал формируют в виде напряжения, пропорционального разности длительностей соседних дискрет.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, в частности к электроизмерительной технике.

Известен способ дифференцирования аналогового напряжения на основе использования пассивного RC или RL дифференциатора (см. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969. - С.206.). Его недостатком является наличие погрешностей вследствие приближенного выполнения операции дифференцирования входного напряжения.

Известен также способ дифференцирования аналогового напряжения на основе использования операционного усилителя (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983. - T.1. - С.208-209). Но устройство, реализующее такой способ практически не работоспособно, поскольку высокочастотные шумы, включая внутренние шумы усилителя, приводят к нестабильной работе устройства. Это связано, во-первых, с увеличением коэффициента передачи дифференциатора при повышении частоты сигнала, а, во-вторых, - с тем, что логарифмические АЧХ такого дифференциатора располагаются таким образом, что он находится на грани устойчивости (см. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - C.115). Для устранения этих недостатков в схему вводят дополнительные элементы, что, однако, приводит к снижению точности выполнения операции дифференцирования, поскольку это приводит к отклонению передаточной функции дифференциатора от идеальной.

Наиболее близким к предлагаемому является способ дифференцирования на основе вычисления производной от частотно-импульсного сигнала по времени (см. Трохин В.М, Перельмутор В.М. и др. Цифроаналоговые системы автоматического управления. К.: Техника, 1979. - С.100). Этот способ предполагает формирование дискрет аналогового напряжения в виде частотно-импульсного сигнала и сравнение каждого текущего периода с предыдущим, на основе чего формируется выходная величина, пропорциональная производной входного напряжения. Такой способ выбран в качестве прототипа.

Его недостатком является наличие частотных погрешностей при преобразовании временного интервала, пропорционального разности между дискретами, в аналоговый сигнал, поскольку в этом случае устройство, преобразующее временной интервал в выходную величину (например, фильтр нижних частот), работает в широком частотном диапазоне и обеспечение малых погрешностей во всем диапазоне является трудной задачей.

Технический результат - повышение точности дифференцирования аналогового напряжения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе дифференцирования аналогового напряжения, включающем определение разности между дискретами, особенность заключается в том, что дискреты формируют на основе широтно-импульсной модуляции в виде длительности импульсов, пропорциональной значению аналогового напряжения, а выходной сигнал формируют в виде напряжения, пропорционального разности длительностей соседних дискрет.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1 приведена схема, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ дифференцирования аналогового напряжения.

Способ может быть реализован следующим образом.

Аналоговое напряжение подается на вход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 1 (фиг.1), который преобразовывает значение дискреты напряжения в длительность импульса, что поясняется фиг.2а, б: аналоговое напряжение u_вх сравнивается с напряжением треугольной формы u_тр, в результате чего компаратор ШИМа 1 формирует прямоугольные импульсы (на фиг.2а показаны только два соседних импульса). Схема выделения разности (СВР) 2 (фиг.1) формирует импульс (фиг.2в), длительность которого равна разности длительностей соседних дискрет: T= T₂- T₁. Далее преобразователь длительности импульса в напряжение (ПИН) 3 (фиг.1) формирует выходную величину

где К - коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим выражение (1) с точки зрения выполнения операции дифференцирования:

При замене бесконечно малой величины dx конечным шагом Ах возникают погрешности, которые практически можно свести к минимальному значению, определяемому заданным их уровнем, уменьшая этот шаг. В предлагаемом решении это осуществляется повышением частоты треугольного напряжения ШИМа 1 по отношению к частоте входного напряжения.

Если выбрать шаг х одинаковым между каждой парой точек (т.е. между всеми дискретами):

то производная (2) в каждой точке будет прямо пропорциональна приращению функции:

где k- коэффициент пропорциональности. Сравнивая выражения (1) и (4) и добавляя аналог условия (3):

T=const

(Т - период треугольного напряжения u_тр (фиг.2)), можно заключить, что выходная величина (1) ПИВ 3 определяет значение производной аналогового напряжения u_вх.

ПИН 3 может быть реализован на основе фильтра нижних частот. При этом частота импульсов на его входе является постоянной, определяемой частотой треугольного напряжения ШИМа 1, поэтому не возникает частотных погрешностей, связанных с широким частотным диапазоном сигнала на основе использования частотно-импульсной модуляции, что имеет место в прототипе. Это способствует повышению точности дифференцирования аналогового напряжения.

Вышеизложенное свидетельствует, что для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".