прецизионный имитатор реализаций случайных изменений постоянного напряжения

Формула изобретения

1. Прецизионный имитатор реализаций случайных изменений постоянного напряжения, содержащий элемент И, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, первый и второй коммутаторы, первый третий одновибраторы, резистор, кнопку, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик случайных чисел с равномерным распределением, функциональный преобразователь, первый и второй аналоговые блоки памяти, интегратор, аналого-цифровой преобразователь, элемент НЕ, инвертор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу таймера, а выход соединен с входом первого одновибратора и тактовым входом датчика случайных чисел с равномерным распределением, выход которого соединен с первой группой входов функционального преобразователя, а вход установки нуля объединен с входом сброса интегратора и входом запуска таймера и через резистор связан с шиной единичного потенциала, а через контакты кнопки с шиной нулевого потенциала, группа младших разрядов выхода функционального преобразователя соединена с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к объединенным выходам первого и второго коммутаторов, а выход соединен с информационным входом первого аналогового блока памяти, управляющий вход которого подключен к выходу третьего одновибратора, а выход соединен с информационным входом интегратора, выход которого является информационным выходом имитатора и соединен с информационным входом второго аналогового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход подключен к выходу первого одновибратора, соединенному с инверсным входом второго одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора и с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, цифровой информационный выход которого соединен с второй группой входов функционального преобразователя, старший разряд выхода которого соединен с управляющим входом первого коммутатора и через элемент НЕ с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход первого коммутатора подключен к выходу источника опорного напряжения, соединенному через инвертор с информационным входом второго коммутатора.

2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что в одном из вариантов датчик случайных чисел с равномерным распределением содержит счетчик, тактовый вход которого является тактовым входом датчика, вход установки нуля входом установки нуля датчика, а выход соединен с адресным входом цифрового блока памяти, информационный выход которого является выходом датчика.

3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что в первом варианте функциональный преобразователь содержит цифровой блок памяти, первая группа разрядов адресного входа которого является первой группой входов преобразователя, вторая группа разрядов адресного входа второй группой входов преобразователя, а информационный выход является выходом преобразователя.

4. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что во втором варианте функциональный преобразователь содержит ЭВМ, первая группа разрядов входного интерфейса которой является первой группой входов преобразователя, вторая группа разрядов входного интерфейса второй группой входов преобразователя, а выходной интерфейс является выходом преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к вычислительной технике и может найти применение в электротехнике как прецизионный имитатор реализаций резкопеременных случайных изменений постоянного напряжения.

Известно устройство для определения параметров выбросов напряжения [1] содержащее формирователь прямоугольных импульсов, датчик обратной связи, кнопку, триггер управления, одновибратор, переключатель режима работы, элемент И.

Недостатками аналога являются низкая точность и узкие функциональные возможности он предназначен для имитации только выбросов и провалов напряжения прямоугольной формы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для моделирования выбросов и размахов напряжения с монотонным изменением параметров [2] содержащее трансформатор, двухполупериодный выпрямитель, резистор, усилитель мощности, масштабный усилитель, преобразователь код - аналог, реверсивный счетчик, дешифратор, формирователи, одновибраторы, элементы И и ИЛИ, триггер, датчик обратной связи, делители частоты, переключатель режима работы, индикатор, кнопку.

Недостатками прототипа являются низкая точность и узкие функциональные возможности он предназначен для моделирования только детерминированных реализаций выбросов и размахов напряжения.

Техническая задача, решаемая изобретением, расширение функциональных возможностей устройства за счет получения возможности имитации реализаций случайных изменений напряжения, а также повышение его точности.

Указанная техническая задача решается тем, что в устройство для моделирования выбросов и размахов напряжения с монотонным изменением параметров, содержащее элемент И, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, одновибратор и кнопку, один из контактов которой соединен с шиной нулевого потенциала, введен генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к инверсному выходу таймера, а выход соединен с входом первого одновибратора и тактовым входом датчика случайных чисел с равномерным распределением, выход которого соединен с первой группой входов функционального преобразователя, а вход установки нуля объединен с входом сброса интегратора, вторым контактом кнопки, входом запуска таймера и через резистор связан с шиной единичного потенциала, группа младших разрядов выхода функционального преобразователя соединена с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к объединенным выходам первого и второго коммутаторов, а выход соединен с информационным входом первого аналогового блока памяти, управляющий вход которого подключен к выходу третьего одновибратора, а выход соединен с информационным входом интегратора, выход которого является информационным выходом имитатора и соединен с информационным входом второго аналогового блока памяти, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход подключен к выходу первого преобразователя, соединенному с инверсным входом второго одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора и с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, цифровой информационный выход которого соединен с второй группой входов функционального преобразователя, старший разряд выхода которого соединен с управляющим входом первого коммутатора и через элемент НЕ с управляющим входом второго коммутатора, информационный вход первого коммутатора подключен к выходу источника опорного напряжения, соединенному через инвертор с информационным входом второго коммутатора; в одном из вариантов датчик случайных чисел с равномерным распределением содержит счетчик, тактовый вход которого является тактовым входом датчика, вход установки нуля входом установки нуля датчика, а выход соединен с адресным входом цифрового блока памяти, информационный выход которого является выходом датчика; в первом варианте функциональный преобразователь содержит цифровой блок памяти, первая группа разрядов адресного входа которого является первой группой входов преобразователя, вторая группа разрядов адресного входа второй группой входов преобразователя, а информационный выход является выходом преобразователя; во втором варианте функциональный преобразователь содержит ЭВМ, первая группа разрядов входного интерфейса которой является первой группой входов преобразователя, вторая группа разрядов входного интерфейса второй группой входов преобразователя, а выходной интерфейс является выходом преобразователя.

Существенным отличиями предлагаемого имитатора являются новая структура устройства, а также использование в его схеме новых элементов датчика случайных чисел с равномерным распределением, функционального преобразователя, первого и второго аналоговых блоков памяти, интегратора, аналого-цифрового преобразователя, генератора прямоугольных импульсов, таймера, инвертора, элементов НЕ; в предлагаемом имитаторе организован ряд новых связей между старыми и введенными элементами. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта расширение функциональных возможностей имитатора за счет получения возможности имитации различных реализаций случайных процессов резкопеременного изменения постоянного напряжения с повторением в процессе-модели максимального числа параметров процесса-оригинала.

На фиг. 1 представлена структурная схема имитатора, на фиг. 2 4 изображены варианты реализаций схем датчика случайных чисел и функционального преобразователя, а на фиг. 5 приведен график моделируемого напряжения.

Имитатор (фиг. 1) содержит генератор 1 прямоугольных импульсов (ГПИ), выход которого соединен с первым входом элемента И 2, второй вход которого подключен к инверсному выходу таймера 3, а выход соединен с входом первого одновибратора 4 и тактовым входами датчика 5 случайных числе (ДСЧ) с равномерным распределением, выход которого соединен с первой группой входов функционального преобразователя (ФП) 6, группа младших разрядов выхода которого соединена с цифровым входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 7, вход опорного напряжения которого подключен к объединенным выходам первого 8 и второго 9 коммутаторов, а выход соединен с информационным входом первого аналогового блока 10 памяти (АБП), выход которого соединен с информационным входом интегратора 11, выход которого является информационным выходом 12 имитатора и соединен с информационным входом второго АБП 13, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14, цифровой информационный выход которого соединен с второй группой входов ФП 6, старший разряд выхода которого соединен с управляющим входом первого коммутатора 8 и через элемент НЕ 15 с управляющим входом второго коммутатора 9, информационный вход первого коммутатора 8 подключен к выходу источника 16 опорного напряжения (ИОН), соединенному через инвертор 17 с информационным входом второго коммутатора 9, вход установки нуля ДСЧ 5 объединен с входом сброса интегратора 11 и входом запуска таймера 3 и через резистор 18 связан с шиной единичного потенциала, а через контакты кнопки 19 с шиной нулевого потенциала, выход первого одновибратора 4 соединен с управляющим входом второго АБП 13 и инверсным входом второго одновибратора 20, выход которого соединен с входом запуска АЦП 14 и инверсным входом третьего одновибратора 21, выход которого соединен с управляющим входом первого АБП 10.

В одном из вариантов ДСЧ 5 (фиг. 2) содержит счетчик 22, тактовый вход которого является тактовым входом датчика 5, вход установки нуля входом установки нуля датчика 5, а выход соединен с адресным входом цифрового блока 23 памяти (ЦБП), информационный выход которого является выходом датчика 5.

В первом варианте ФП 6 (фиг. 3) содержит ЦБП 24, первая группа разрядов адресного входа которого является первой группой входов преобразователя 6, вторая группа разрядов адресного входа второй группой входов преобразователя 6, а информационный выход является выходом преобразователя 6.

Во втором варианте ФП 6 (фиг. 4) содержит ЭВМ 25, первая группа разрядов входного интерфейса которой является первой группой входов преобразователя 6, вторая группа разрядов входного интерфейса второй группой входов преобразователя 6, а выходной интерфейс является выходом преобразователя 6.

На стадии подготовки имитатора в ЦБП 23 ДСЧ 5 записывается последовательность двоичных чисел x_i, имеющих равномерное распределение, а в ЦБП 24 ФП 6 двоичные коды чисел z_jk, которые задают с коэффициентом пропорциональности K₁ функцию F^-1, обратную по производной напряжения U" двумерной функции распределения (ДФР) уровня и производной напряжения F(U, U") процесса-оригинала, который хотят воспроизвести на имитаторе. ДФР F процесса-оригинала предварительно может быть получена статистическим анализатором уровня и производной напряжения. Значения функции z, размещаемой в ЦБП 24, рассчитываются по формуле

z К₁U" К₁F^-1(U, F). (1)

При запуске имитатора нажатием на кнопку 19 на входах запуска таймера 3, установки нуля ДСЧ 5 и сброса интегратора 11 появляется единичное напряжение, что сопровождается установкой в нулевое состояние счетчика 22 ДСЧ 5, сбросом выходного напряжения интегратора 11 (и соответственно имитатора) до нуля и запуском таймера 3.

После отпускания кнопки 19 начинается процесс моделирования реализации постоянного напряжения, которую при необходимости можно повторять. На инверсном выходе таймера 3 после его запуска появляется единичное напряжение, которое подается на второй вход элемента И 2 последний начинает пропускать импульсы генератора 1 на вход счетчика 22 ДСЧ 5.

По переднему фронту выходного импульса ГПИ 1 (в момент времени t₁ 0 на фиг. 5) запускается одновибратор 4, который своим выходным коротким импульсом вписывает напряжение U₁ 0 с выхода интегратора 11 в АБП 13. Заканчиваясь, импульс с выхода одновибратора 4 запускает одновибратор 20, который своим выходным коротким импульсом запускает АПЦ 14 на выходе последнего формируется код v₁ 0000, соответствующий нулевому напряжению U₁ на выходе интегратора 11. Заканчиваясь, импульс с выхода одновибратора 20 запускает одновибратор 21, который своим выходным импульсом вписывает соответствующее значение напряжения с выхода ЦАП 7 в АБП 10 (см. дальше).

В первом такте работы генератора 1 выходной код счетчика 22 равен нулю. При этом на выходе ЦБП 23 появляется код первого двоичного числа x₁ из последовательности равномерно распределенных двоичных чисел, которое хранится в ячейке блока 23 с адресом 00000000. Код x₁ (например, 1111), приложенный к первой группе входов ФП 6, задает часть кода адресного входа ЦБП 23 (например, группу старших разрядов). Вторая часть кода (группа младших разрядов) задается с информационного выхода АЦП 14; в частности, в первом такте этот код v₁ 0000. В итоге на адресном входе ЦБП 24 ФП 6 появляется код, сформированный из кодов x₁ и v₁ 11110000. На выходе ЦБП 24 ФП 6 появляется код z_11110000, пропорциональный производной напряжения в первом такте и хранящийся в ячейке ЦБП 24 с адресом 11110000 младшие разряды кода z задают модуль производной, а старший разряд ее знак (например, 1, соответствующую положительной производной). Единичное напряжение старшего разряда выхода ФП 6 открывает первый коммутатор 8 (второй коммутатор 9 при этом закрыт нулевым напряжением с выхода элемента НЕ 15) выходное положительное напряжение ИОН 16 прикладывается к входу опорного напряжения ЦАП 7. На выходе ЦАП 7 появляется напряжение, пропорциональное производной моделируемого напряжения



где K₂ постоянный коэффициент пропорциональности.

Это напряжение в начале первого такта (с малой задержкой после момента времени t₁, обусловленной суммой длительностей импульсов одновибраторов 4 и 20; эта задержка на 3-5 порядков меньше интервала t длительности периода импульсов ГПИ 1) вписывается в первый АБП 10. Выходное напряжение АБП 10 , приложенное к входу интегратора 11, остается постоянным в течение всего первого такта. Напряжение на выходе интегратора (и соответственно на выходе имитатора) изменяется с производной по линейному закону



В середине первого такта по заднему фронту импульса ГПИ 1 содержимое счетчика 22 ДСЧ 5 увеличивается на единицу и становится равным 00000001. При этом на выходе ЦБП 23 появляется код второго числа x₂, хранящегося в ячейке блока 23 с адресом 00000001. Код x₂ (например, 1100) прикладывается к группе старших разрядов адресного входа ЦБП 24 ФП 6.

По формуле (3) напряжение имитатора изменяется в течение первого такта на интервале времени t₁ t₂ (фиг. 5). В момент времени t₂ напряжение имитатора достигает значения



В начале второго такта в момент времени t₂ это напряжение вписывается в АБП 13 и затем преобразуется АЦП 14 в код, например, v₂ R₃U₂ 0101 (где K₃ постоянный коэффициент пропорциональности). Код v₂ прикладывается к группе младших разрядов адресного входа ЦБП 24 ФП 6.

В результате в момент времени t₂ из кодов x₂ и v₂ на адресном входе ЦБП 24 ФП 6 формируется код 11000101. На выходе ЦБП 24 появляется код производной , хранящийся в ячейке ЦБП 24 с адресом 11000101. Значение старшего разряда кода числа равно, например, нулю; нулевое напряжение старшего разряда выхода ФП 6 инвертируется элементом НЕ 15 в единичное и открывает второй коммутатор 9 (первый коммутатор 8 при этом закрыт нулевым напряжением на его управляющем входе). Положительное напряжение ИОН 16 преобразуется инвертором 17 в отрицательное и, пройдя через второй коммутатор 9, поступает на вход опорного напряжения ЦАП 7. На выходе последнего появляется отрицательное напряжение, пропорциональное отрицательной производной моделируемого напряжения



Это напряжение вписывается в АБП 10 и в течение второго такта интегрируется интегратором 11 по формуле



В момент времени t₃ выходное напряжение имитатора достигает значения



и т.д.

В общем случае в каждом (n+1)-м такте моделирование реализации напряжения осуществляется имитатором по следующему алгоритму:



Варьируя значения коэффициентов K₁-K₃, можно устанавливать масштабы по напряжению m_U, а также производной m_U" или времени m_t моделируемого имитатором процесса изменения постоянного напряжения, задавая диапазон и скорость его изменения. Процесс-модель и процесс-оригинал напряжения с учетом этих масштабов имеют эквивалентные ДФР F(U, U"), а также одномерные функции распределения производной F(U") и ординат напряжения F(U).

В том случае, если ДФР F и обратная функция (ОФ) F^-1 имеют аналитическое выражение, то целесообразно использовать в составе ФП 6 по второму варианту ЭВМ 25 (фиг. 4) (однокристальную микроЭВМ, персональную ЭВМ) это существенно сократит время подготовки имитатора к работе (по сравнению с первым вариантом реализации ФП 6 на ЦБП 24). В том же случае, если ОФ F^-1 может быть определена только численными методами, удобнее реализовать ФП 6 на ЦБП 24. Относя к недостаткам первого варианта реализации ФП 6 длительное время программирования ЦБП 24, следует отметить, что в этом случае имитатор имеет максимальное быстродействие (время получения кода производной z_jk на выходе ФП 6 из ЦБП 24 равно длительности одной элементарной операции) это важно в том случае, если необходимо моделировать процесс ускоренно или в реальном масштабе времени моделировать быстро протекающие процессы. Относя к недостаткам второго варианта реализации ФП 6 низкое быстродействие ЭВМ 25 (для получения кода производной z_jk на выходе ФП 6 из ЭВМ 25 может потребоваться 1000 элементных операций, поскольку значение кода каждый раз рассчитывается), следует отметить принципиально более высокую точность расчета на ЭВМ 25 значений кода производной z_jk этим может быть достигнута более высокая точность моделирования напряжения U. Вариант реализации ФП 6 может выбираться пользователем в зависимости от цели применения имитатора: 1) если имитатор используется как встроенное устройство для поверки приборов или в качестве лабораторного стенда для учебных целей, то однозначно выбирается вариант реализации ФП 6 на ЦБП 24; 2) если же с помощью имитатора проводится научно-исследовательская работа и необходимо моделировать процессы с различными ДФР F, то также однозначно в ФП 6 вводится ЭВМ 25.

Таймер 3 используется в схеме имитатора в том случае, если необходимо смоделировать реализацию напряжения заданной длительности. Если же моделирование необходимо продолжать неопределенно длительное время, то элемент И 2 и таймер 3 в схеме имитатора могут не использоваться или задается такой режим работы таймера 3, при котором его выходное напряжение не спадает до нуля. Следует также отметить, что в том случае, если не требуется моделировать строго повторяемую реализацию напряжения, начиная ее с нулевого напряжения, то нажимать на кнопку 19 не следует тогда имитатором осуществляется стохастическое моделирование постоянного напряжения с произвольного момента, который соответствует моменту подключения схемы имитатора к источнику питания.

Преимуществами предложенного имитатора по сравнению с известными являются более широкие функциональные возможности за счет получения возможности имитации различных реализаций случайных процессов резкопеременного изменения постоянного напряжения с повторением в процессе-модели максимального числа параметров процесса-оригинала при одновременном повышении точности моделирования. Моделируемые имитатором реализации напряжения позволяют исследовать влияние случайных колебаний, выбросов и провалов напряжения на различное электрооборудование, технологические процессы и зрение человека; исследовать качество работы и проводить метрологическую поверку статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряжения; исследовать поведение различных гироскопических систем, установленных на качающихся по заданному закону объектах (палубе судна, платформе танка и др.) путем питания приводов тренажеров этих систем имитируемым напряжением и т.д. Имитатор реализуется на микроэлектронной основе для его изготовления требуется малое количество (15-16) широко распространенных интегральных схем.