Задатчик времястепенных пробных сигналов

Область применения: может применяться в области автоматики для идентификации коэффициентов передаточных функций линейных динамических объектов автоматизации. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов определения коэффициентов передаточных функций объектов с существенно различными постоянными времени. Он достигается тем, что в устройство введены микроконтроллер, порты которого соединены с управляющими входами коммутаторов и с шиной I²С и три цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с шиной I² С, а аналоговые выходы с информационными входами интеграторов с изменяемой постоянной времени на операционном усилителе, в каждый из которых в качестве линейного резистора введен полевой транзистор с управляющим р-n переходом, сток которого подключен к источнику сигнала, исток к инвертирующему входу операционного усилителя, а на затвор подается управляющее напряжение, и линеаризующая цепь из двух резисторов, один из которых включен между стоком и затвором полевого транзистора, а другой между затвором и источником управляющего напряжения.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам испытания и контроля систем управления и их элементов.

Известен задатчик времястепенных пробных сигналов, в котором для формирования времястепенных пробных сигналов используются последовательно соединенные интеграторы и источник ступенчатых импульсов (см. патент РФ №97105434, 1997 год).

Недостаток устройства состоит в невозможности осуществления идентификации коэффициентов передаточных функций объектов с существенно различными постоянными времени вследствие малого диапазона и большого шага изменения постоянной времени интеграторов.

Наиболее близким по сути является устройство формирования времястепенных пробных сигналов для идентификации коэффициентов передаточных функций линейных динамических объектов (см. кн. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Идентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов. Уфа: УГАТУ, 1997, с.65-80.).

Техническая задача: расширение диапазона и уменьшение шага изменения постоянной времени интеграторов, упрощение конструкции.

Технический результат: повышение точности и достоверности результатов определения коэффициентов передаточных функций объектов с существенно различными постоянными времени.

Он достигается тем, что в устройство дополнительно введены микроконтроллер, порты которого соединены с управляющими входами коммутаторов и с шиной I²С и три цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с шиной I²С, а аналоговые выходы с информационными входами интеграторов с изменяемой постоянной времени на операционном усилителе, в каждый из которых в качестве линейного резистора введен полевой транзистор с управляющим р-n переходом, сток которого подключен к источнику сигнала, исток к инвертирующему входу операционного усилителя, а на затвор подается управляющее напряжение, и линеаризующая цепь из двух резисторов, один из которых включен между стоком и затвором полевого транзистора, а другой между затвором и источником управляющего напряжения.

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на схеме 1. Устройство содержит источник ступенчатых импульсов 1, его выход подключен ко входу первого коммутатора 2, первый выход которого подключен к первому входу аналогового мультиплексора 11, а второй - ко входу первого интегратора 3, выход которого подключен ко входу второго коммутатора 5, причем первый выход коммутатора 5 подключен ко второму входу аналогового мультиплексора 11, а второй - к входу второго интегратора 6, выход последнего подключен ко входу третьего коммутатора 8, первый выход которого подключен к третьему входу аналогового мультиплексора 11, а второй - к входу третьего интегратора 9, выход которого подключен к четвертому входу аналогового мультиплексора 11, выход которого

подключен ко входу исследуемого объекта автоматизации. Кроме этого, устройство содержит цифроаналоговые преобразователи 4, 7, 10, аналоговые выходы которых подключены к интеграторам 3, 6, 9 соответственно, и микроконтроллер 12, порт которого RA2 подключен ко входу источника ступенчатых импульсов 1, порты RB1, RB2, RB3 подключены к управляющим входам коммутаторов 2, 5, 8 соответственно, порты RB4 и RB5 подключены к адресным входам цифроаналоговых преобразователей 4, 7, 10 и к адресным входам аналогового мультиплексора 11, порт RB7 подключен к блоку установки начальных условий 13 для интеграторов 3, 6, 9. Блок установки начальных условий выполнен на основе ключа на полевом транзисторе с управляющим р-n переходом, который соединяет источник постоянного напряжения и конденсатор 4 (схема 2) для его заряда до напряжения, обеспечивающего требуемые начальные условия для всех интеграторов.

Устройство работает следующим образом: после подачи питания перед формированием каждого испытательного сигнала микроконтроллер 12 (PIC16F84) осуществляет установку начальных условий для интеграторов 3, 6, 9, формируя соответствующий управляющий сигнал на линии RB7. Это позволяет свести к минимуму погрешности интегрирования и восстановить начальные условия перед формированием очередного испытательного сигнала.

На линиях RB1-RB3 микроконтроллера 12 формируются сигналы управления коммутаторами 2, 5, 8, которые подключают интеграторы 3, 6, 9

в зависимости от того, какой испытательный сигнал необходимо сформировать и подать на вход исследуемого объекта. После этого на линии RA2 формируются сигналы, управляющие работой источника ступенчатых импульсов 1, который формирует первый испытательный сигнал в виде ступенчатого воздействия. Подача соответствующего сигнала на вход объекта осуществляется с помощью аналогового мультиплексора 11 с управлением по шине I²С.

Кроме этого, микроконтроллер 12 осуществляет формирование цифрового кода, определяющего величину постоянной времени для каждого из интеграторов 3, 6, 9, который передается по шине I²С на цифроаналоговые преобразователи 4, 7, 10, формирующие аналоговые сигналы управления величинами постоянных времени для каждого из интеграторов 3, 6, 9. В устройстве применяются ЦАП с последовательным вводом по протоколу I²С, поэтому для передачи данных используется одна линия ввода - вывода RB4 (SDA), a RB5 используется для формирования тактового сигнала SCL. В отличие от прототипа устройство может работать как в автономном режиме, так и в режиме управления от внешней ЭВМ. В автономном режиме длительность пробных сигналов определяется величиной, запрограммированной пользователем в ЭППЗУ микроконтроллера 12. В режиме управления от внешней ЭВМ микроконтроллер 12 получает необходимые данные с помощью последовательного интерфейса (шина I ²С). В качестве цифроаналоговых преобразователей в устройстве применяются 8-ми или 12-ти разрядные ЦАП с последовательным интерфейсом,

поддерживающие протокол I²С. Выбор данного протокола последовательной передачи данных обусловлен высокой скоростью его работы и простотой аппаратной реализации. При этом микроконтроллер постоянно работает в режиме "master" (осуществляет формирование тактового сигнала SCL и передачу данных по линии SDA), а остальные устройства в режиме "slave" (прием данных). Устройство позволяет формировать пробный сигнал в виде ступенчатого воздействия, и три времястепенных пробных сигнала, что позволяет производить идентификацию коэффициентов передаточных функций объектов третьего порядка. В случае необходимости идентификации объектов более высоких порядков необходимо увеличивать число интеграторов.

На схеме 2 приведена электрическая схема интегратора на операционном усилителе с изменяемой постоянной времени. В его состав входит полевой транзистор 1 с управляющим р-n переходом, затвор которого через резистор 3 подключен к источнику управляющего напряжения, а резистор 2 включен между стоком и затвором, на сток подается входной сигнал U_вх интегратора, а исток подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 5. Выходной сигнал U_вых снимается с выхода операционного усилителя 5.

Цепь линеаризации работает следующим образом: на затвор полевого транзистора 1 подается управляющее напряжение U_упр, определяющее сопротивление его р-n перехода, при этом сопротивление резисторов 2 и 3 выбирается таким образом, что к напряжению на затворе полевого

транзистора 1 добавляется половина напряжения стока, после чего полевой транзистор 1 работает как резистор с линейной характеристикой. После установки требуемой величины сопротивления р-n-перехода полевого транзистора 1, интегратор работает в соответствии с соотношением , где Т - постоянная времени, определяемая как произведение сопротивления р-n-перехода полевого транзистора 1 и емкости конденсатора 4, С - постоянная интегрирования.

Возможность использования полевого транзистора 1 в качестве управляемого напряжением линейного резистора объясняется следующим образом. Известна формула (см. кн. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, М: «Мир», 1993, 4-е изд., т.1, с.146-149), описывающая зависимость сопротивления р-n перехода полевого транзистора на линейном участке стоковой характеристики от напряжения на затворе

где R_си - сопротивление перехода сток-исток полевого транзистора, k - параметр, зависящий от конструктивных особенностей конкретного транзистора; U_зи - напряжение затвор-исток; U_П - напряжение питания; U_си - напряжение сток-исток.

Нелинейность зависимости (1) объясняется тем, что она содержит 0.5 U_СИ. Из формулы (1) видно, что если к напряжению затвор-исток добавить половину напряжения сток - исток, то зависимость становиться линейной.

Линейные участки стоковых характеристик полевого транзистора при сопротивлении перехода 80 Ом и 80 Мом показаны на графиках 1 и 2 соответственно.

График 1. Выходная стоковая характеристика полевого транзистора при управляющем напряжении на затворе 0 В.

График 2. Выходная стоковая характеристика полевого транзистора при управляющем напряжении на затворе 7 В.

- стоковая характеристика р-n перехода полевого транзистора с цепью линеаризации.

- вольтамперная характеристика идеального линейного резистора.

Нелинейности составляют 0.5% для характеристики на графике 1 и 0.7% для характеристики на графике 2, что сопоставимо с нелинейностью прецизионных резисторов.

Таким образом, постоянная времени предлагаемого интегратора может изменяться примерно в 10 ⁶ раз с шагом, определяемым разрядностью цифроаналогового преобразователя (4, 7, 10, схема 1), формирующего управляющее напряжение на затворе полевого транзистора 1 (схема 2). Верхняя граница изменения сопротивления р-n перехода полевого транзистора 1 выбирается так, чтобы ток полезного сигнала был существенно больше собственных токов полевого транзистора 1 и операционного усилителя 5, входящих в состав интегратора.

Положительный эффект: повышение точности и достоверности результатов определения коэффициентов передаточных функций объектов с существенно различными постоянными времени.

Источники информации:

1. Патент РФ №97105434 «Способ определения коэффициентов передаточных функций линейных динамических объектов и задатчик пробных сигналов для его осуществления». Шаймарданов Ф.А., Андрианова Л.П., Гарипов Ф.Г., Опубл. 20.04.99.

2. Андрианова Л.П., Шаймарданов Ф.А. Идентификация коэффициентов передаточных функций динамических объектов. Уфа: УГАТУ, 1997, с.65-80 (прототип).

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, М: «Мир», 1993, 4-е изд., т.1, с.146-149

Задатчик времястепенных пробных сигналов, содержащий источник ступенчатых импульсов, выход которого соединен с входом первого коммутатора, последовательно соединенного с входом первого интегратора с изменяемой постоянной времени, последовательно соединенные вторые коммутатор и интегратор с изменяемой постоянной времени, последовательно соединенные третьи коммутатор и интегратор с изменяемой постоянной времени, аналоговый мультиплексор, три входа которого соединены с первыми выходами каждого коммутатора, четвертый с выходом третьего интегратора с изменяемой постоянной времени, блок установки начальных условий, выход которого соединен с каждым из интеграторов с изменяемой постоянной времени, отличающийся тем, что с целью повышения точности и достоверности результатов определения коэффициентов передаточных функций объектов в него введены микроконтроллер, порты которого соединены с шиной I2C, с управляющими входами коммутаторов, с управляющим входом источника ступенчатых импульсов, с управляющим входом блока установки начальных условий и с управляющими входами аналогового мультиплексора, три цифроаналоговых преобразователя, цифровые входы которых соединены с шиной I2C, а аналоговые выходы с информационными входами интеграторов с изменяемой постоянной времени, в каждый из которых в качестве линейного резистора введен полевой транзистор с управляющим р-n переходом, сток которого подключен к источнику сигнала, исток к инвертирующему входу операционного усилителя, а на затвор подается управляющее напряжение, и линеаризующая цепь из двух резисторов, один из которых включен между стоком и затвором полевого транзистора, а другой между затвором и источником управляющего напряжения.