Мажоритарное устройство

(ted>945995

Союз Советсмин

Социапистмчвсммн

Рвспубпми

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф . с ю (6l ) Дополнительное к авт. сеид-ву(22)Заявлено 23.12.80 (21) 3220632/18-21 с присоединением заявки ям (23) Приоритет (5т)М. Кл.

H 03 K 19/23

Рпударетынныб «вмнтвт

СССР ао делам нзайретеннй н атнрытнй (5З) ЛКЬ21.37 .. 3(068.8) Опубликовано 23.07.82.бюллетень Ме 27

Дата опубликования описания23. 07.82(72) Автор изобретения

9.Н.Родионов г

t т с . .

E (! т

Особое конструкторское бюро технической кибернетики

Ленинградского политехнического института : им. M.È.Êàëèíèíà (71) Заявитель (54) МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, а именно к устройствам, выполняющим мажоритарное преобразование аналоговых сигналов, заданных электрическим напряжением (током) и может быть исполь5 зовано в резервированных усилителях, а также в измерительных и функциональных преобразователях для выделения средневыборочного значения (выборочной медианы) входных аналоговых сигналов.

Известно мажоритарное устройство, имеющее одновременно высокую точность

/ быстродействие, способность сохранять > работоспособность при отказе элементов, входящих в их состав„ Такое устройство содержит три усилителя, к входу каждого из которых подключены первые выходы двух операционных эле- 20 ментов, второй вывод одного из которых подключен к входной шине, а другого - к выходной шине, соединенной с выходами усилителей.

При использовании усилителей с высокими коэффициентом усиления и быстродействием вид комплексного коэффициента передачи всего устройства определяется только типом операционных элементов.

Каждый операционный элемент может быть не только двухполюсником (например резистор, конденсатор, диод), но и многополюсником (транзистор, трансформатор). Такие иажори" тарные устройства обеспечивают высокие метрологические характеристики при выполнении линейных и нелинейных операций над входными сигналаии, совмещенных с мажоритарным преоб,разованием $1), Недостатком известного устройства является узкий диапазон измерения выходного напряжения.

Известно мажоритарное устройство, содержащее три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную ши40

В устройстве каждый блок выбора минимального значения содержит два диода и резистор, один вывод которого соединен с первым выходом блока, второй выход которого соединен с вторым выводом резистора и анодами диодов, катоды которых соединены с входами блока.

Каждая пара последовательно включенных транзисторов совместно с двумя соответствующими блоками выбора минимального напряжения образует устройство выбора минимального сигнала из двух. Три пары транзисторов совместно с резистором нагрузки образует устройство выделения максимального сигнала из трех. ну, шесть резисторов, шесть диодов, резистор. нагрузки, три пары последовательно соединенных транзисторов и шесть блоков выбора минимального значения, первые выходы которых сое" динены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каждой пары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов, : 10 вторые выводы каждой пары операционных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с вы" ходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена с второй шиной питания и с эмиттерами вторых транзисторов каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов scex пар соединенй через соответствующие резисторы, вторые выходы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков выбора минимального значения соединены соответственно с анодами первого, второго, третьего, четвертого пятого и шестОгО диОдОВ, катоды которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой, второй, третьей пары, первых транзисторов первой, второй и третьей пары, выход первого усилителя

30 соединен с первыми входами первого, второго, четвертого и пятого блоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен с вторыми входами второго, четвертого и первыми входами третьего, шестого блоков выбора минимального значения, выход т рет ьего усили т еля соединен с вторыми входами первого, третьего, четвертого и шестого блоков выбора минимального значения.

5 4

Комбинация транзисторов с блоками выбора в целом образует устройство выделения выборочной медианы из выходных сигналов усилителей, которые линеаризуют межоритарное устройство в целом. Комбинация транзисторов с резистором нагрузки образует широкополосный каскад по схеме с общим эмиттером, практически не снижающий быстродействие усилителей, при использовании операционных усилителей с внутренней коррекцией, а также высокочестотных транзисторов и диодов обеспечивается, высокое быстродействие устройства без дополнительных корректирующих цепей.

В таком устройстве диапазон выходного напряжения приблизительно равен диапазону выходного напряжения усилителей. Для повышения верхнего уровня ограничения выходного напряжения необходимо уменьшить сопротивление резисторов в блоках выделения минимального напряжения, что не влияет на нижний уровень ограничения выходного напряжения Г2 j.

Недостатком устройства является низкая надежность в смысле высокой интенсивности отказов из-за большого количества элементов, входящих в, его состав. Несмотря на то, что устройство защищено от единичного отказа любого его элемента, втос) рой отказ какого-либо элемента может привести к отказу устройства в целом. При большом числе элементов в мажоритарном устройстве первый и второй отказы элементов происходят чаще.

Цель изоЬретения - повышение надежности мажоритарного устройства. Указанная цель достигается тем, что в мажоритарном устройстве, содержащем три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную шину, шесть первых резисторов, шесть диодов, резистор нагрузки, второй, третий и четвертый резисторы, три пары последовательно соединенных транзисторов и три Ьлока выбора минимального значения, первые выходы которых соединены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каждой пары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов, вторые выводы каждой пары операци94599

1О

25

Зо.онных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена со второй шиной питания и соединена с эмиттерами вторых транзисторов каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединены через соответствующие первые резисторы, вторые выходы первого, второго и третьего блоков выбора минимального значения, первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с анодами первого, вто" рого, трет ьего, четвертого, пятого и шестого диодов, катоды которых соединены с база 1и соответственно, вторых транзисторов первой, второй, третьей пар,, первых транзисторов первой, второй и третьей пар, выходы первого усилителя соединен с первыми входами первого и второго блоков выбора минимального значения, выход второго усилителя соединен со вторым входом второго и первым входом третьего блоков выбора минимальных значений, выход третьего усилителя соединен со вторыми входами первого и третьего блоков выбора минимальных з на чен ий, вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с выходами третьего, перВО го и второго усилителей.

На чертеже приведена электрическая схема мажоритарного устройства.

Схема содержит усилители 1-3, операционные элементы 4-9, входные шины 10-12, выходную вину 13, транзисторы 14-19, шину 20 питания, резисторы 21-26, блоки 27-29 выбора минимального значения, диоды 30-32, резисторы 33-35, диоды 36-38, резистор 39 нагрузки, шину 40 питания.

Входы усилителей 1-3 соединены соответственна с первыми выводами операционных элементов 4, 6 и 8 и соединены соответственно с первыми выводами операционных элементов 5, 7 и 9, вторые выводы операционных элементов 4, 6 и 8 соединены соответственно с входными шинами 10, 11 и 12, вторые выводы oneрационных элементов 5, 7 и 9 соединены с выходной шиной 18, с эмиттерами транзисторов 15, 17 и 19 и соединены через резистор 39 нагрузки с шиной 40 питания, коллекторы тран35

5 6 зисторов 15, 17 и 19 соединены соответственно с эмиттерами транзисторов 14, 16 и 18, коллекторы которых соединены с шиной 20 питания с пер выми выходами блоков 27-29 выбора минимального значения, вторые выходы которых соединены соответственно с анодами диодов 30-32,-катоды которых соединены соответственно с базами транзисторов 15, 17 и 19, выход усилителя 1 соединен с первыми входами блоков 1 и 2 и соединен через резистор 34 с анодом диода 37, катод которого соединен с базой транзистора 16, выход усилителя 2 соединен с BTopblM входом блока 28 и первым входом блока 29 и соединен через резистор 35 с анодом диода 38, катод которого соединен с базой транзистора 18, выход усилителя 3 соединен с вторыми входами блоков 1 и 3 и соединен через резистор 33 анодом диода 36, катод .которого соединен с базой транзистора 14, базы транзисторов

14-19 соединены через резисторы 2126 с эмиттерами транзисторов 14, 15, l6, 17, 18 и 19.

Каждый иэ блоков 27-29 содержит резистор 4 1 и диоды 42 и 43, аноды которых через резистор 4 1 соединены с первым и вторым выходами блока, катоды диодов 42 и 43 соединены со входами блока выбора минимального зна - чения.

Устройство работает следующим образом.

Диоды 30-32, 36-38 совместно с резисторами 21-26 защищают переход база — эмиттер транзисторов 14- 19 от значительных запирающих напряжений с выходов усилителей 1-3.

Каждый блок 27-29 в совокупности с соответствующим ему нижним транзистором 15- 19 образует устройство выделения минимального сигнала из двух. Ток, протекающий через соответствующий транзистор 15-19, определяется .наиболее низким из двух напряжений, присутствующих на входах блока 27-29.

Каждое указанное устройство выде" ления минимального сигнала иэ двух в совокупности с соответствующим верхним транзистором 14-18 выполняет аналогичные функции: ток, протекающий через пару транзисторов, определяется наиболее низким из двух напряжений на входах соответствующего блока 27-29. Верхние транзисторы 14, 16

945995 8 метрами усилителей 1-3 и операционных элементов 4-9. При использовании м быстродействующих транзисторов и диодов быстродействие мажоритарного устройства- может определяться практически только быстродействием усилии- телей.

7 и 18 выполняют функции защиты устройства от отказа при коротком-.за" мыкании между коллектором и эмиттеро одного иэ нижних транзисторов 15, 17 и 19 соответственно, в процессе мажорирования в одном нижнем транзисторе соответствующий ему верхний тра зистор запирается низким уровнем напряжения с,выхода соответствующего усилителя. ю

Пары транзисторов 14-15, 16-17, 18- 19, включенные параллельно, совместно с резистором 39 образуют схему с общим коллектором и выделяют на резисторе 39 максимальный сигнал иэ трех, при этом напряжение на выходной шине 13 определяется той парой транзисторов 14" 19, в которой оба тран- зистора наиболее открыты.

Последовательность выбора минимального сигнала из каждых двух выходных напряжений усилителей 1-3, а затем выбор максимального сигнала из трех полученных обеспечивают выделение на шине 13 выборочной медианы из трех выходных напряжений усилителей 1-3.

Взаимодействие указанного устройства (элементы 13-40) выделения медианы с тремя усилителями 1-3 через цепи (элементы 4-9) обратной связи обеспечивает существенное увеличение точности выделения медианы.

При высоких значениях коэффициентов усиления усилителей 1-3 даже при зз незначительном неравенстве напряжений на входных. шинах 10-12. или при не" значительной неидентичности элементов 4, 6, 8 и 5, 7, 9 .выходные напряжения усилителей 1-3 резко разли- 4о чаются: на выходе одного из них предельно высокий уровень, на выходе другого уровень предельно низкий, а на выходе третьего - промежуточный, плавно изменяющийся в зависимости от текущего значения медианы входных напряжений. Вместе с устройством (элементы 13-40) выделения медианы этот усилитель (например, l) функционирует как операционный, и вид комплексного коэффициента передачи с входной шины 10 на выхОдную шину

13 определяется только параметрами операционных элементов 4 и 5. При этом погрешности выполнения :опера%5 ций с сигналами на входных шинах 1012, в т.ч. мажоритарного преобразования„ могут быть малыми, так как оп ределяются практически только параВ предложенном мажоритарном устройстве обеспечена возможность получения широкого диапазона изменения выходного напряжения. Для повышения верхнего уровня ограничения выходного напряжения необходимо уменьшать сопротивление резисторов 33-35 и 41.

При этом оба транзистора пары получают в соответствующем режиме возможность открыться до необходимой степени. Уменьшение сопротивлений указанных резисторов не противоречит условиям понижения низкого уровня ограничения выходного напряжения. Это сбусловлено тем, что при плавно управляемом верхнем транзисторе пары (например 14, при этом плавно изменяется выходное напряжение усилителя 3), . напряжение на базе нижнего транзистора 15 не может быть существенно выше, чем на базе верхне" го, так как даже при предельно высоком напряжении с выхода соответствующего усилителя 1 на втором входе усилителя 1, на втором входе соответствующегоблока 27, напряжение на его выходе не может быть больше, чем на первом входе, т.е. на входе базовой цепи верхнего транзистора 14.

Короткое замыкание одного резистора 41 приводит к отказу устройства, так как большой ток от положительной шины 20 источника питания через диод 42, 43 {включенные в прямом направлении),протекая через выходные цепи двух усилителей, приводит эти усилители одновременно в состояние насыщения. В реальном работоспособном устройстве все три усилителя всегда находятся в различных состояниях. Дпя исключения отказа устройства, вызванного указанной причиной, резисторы 41 поэлементно резервированы (не показано)от отказа типа короткого замыкания.

Короткое замыкание или обрыв резистора 39 приводит к отказу устройства. Для его исключения резистор 39 резервирован (не показано) от отказов типа короткого замыкания и типа обрыва.

945995

После отказа любого .другого элемента предложенного устоойства оно остается работоспособным, так как в нем осуществляются операции мажорирования относительно последствий этих отказов, Таким образом, устройство обеспечивает широкий диапазон изменения выходного напряжения, в т.ч. при отказе одного любого элемента устройства.

В другом варианте использования изобретения могут быть использованы транзисторы 14-19 другого типа, при этом необходимо изменить полярность подключения источника питания к шинам 20 и 40, а также включить в противоположном направлении все диоды.

По сравнению с известными (точными, бы ст родей ст вуоцими, не чу вствительными к отказам элементов)

/ мажоритарными устройствами с широким диапазоном изменения выходного напряжения предложенное устройство имеет повышенную надежность, а также сниженные габариты и массу благодаря уменьшению количества элементов. По сравнению с известным,в предложенном устройстве вместо трех двухвходных блоков выбора минимального напряжения использованы три резистора, при этом сохранены все функции и параметры известного устройства. При использовании простейших диодных блоков выбора минимального напряжения указанное упрощение в предложенном устройстве позволяет сэкономить шесть диодов, в результате чего на одну треть снижается интенсивность отказов использованных в устройстве диодов.

Формула изобретения

Мажоритарное устройство, содержащее три входных шины, две шины питания, три усилителя, три пары операционных элементов, выходную шину, шесть первых резисторов, шесть диодов, резистор нагрузки, второй, третий и четвертый резисторы, три па" ры последовательно соединенных транзисторов и три блока выбора минимального значения, первые выходы ,которых соединены с первой шиной питания и с коллекторами первых транзисторов каждой пары, вход каждого усилителя соединен с первыми выводами соответствующей пары операционных элементов, вторые выводы каждой пары операционных элементов соединены соответственно с одной из входных шин и с выходной шиной, которая через резистор нагрузки соединена с второй шиной питания и соединена с эмиттерами вторых транзисторов

15 каждой пары, базы и эмиттеры транзисторов всех пар соединены через соответствующие первые резисторы, вторые выходы первого, второго, третьего блоков выбора минимального значения, первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с анодами пер" вого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого диодов, катоды

25 которых соединены с базами соответственно вторых транзисторов первой, второй, третьей, пар, первых транзисторов первой, второй, третьей, пар, первых транзисторов первой, второй и

30 третьей пар, выход первого усилителя соединен с первыми входами пер" вого и второго Ьлоков выбора мини1 мального значения, выход второго усилителя соединен с вторым входом второго и первым входом третьего блоков выбора минимальных значений, выход третьего усилителя соединен с вторыми входами первого и третьего блоков выбрра минимальных значений, о тли чающее ся тем, что, сцелью повышения надежности, вторые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены соответственно с выходами третьего, первого и второго усилителей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

ГильЬо Е.П. и др, ОЬраЬотка сигналов на основе упорядочного выбора.

М., "Советское радио, 1975, с. 318, рис. 7. 17.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2675739/18-21, кл. Н 03 К 19/42, 06.10 78.