3.2. Пример анализа существующих приборов и систем
В качестве примера рассмотрим анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования.
Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие задачи. Это схемы двухтактного преобразователя и считывания [2].
В схеме двухтактного преобразователя (рис. 1) выполняется интегрирование преобразуемого сигнала Ux в первом такте и отрицательного опорного напряжения –U01 во втором. Первый такт длится фиксированное время, а длительность второго – прямо пропорциональна преобразуемой величине. Интегрирование входного сигнала в течение фиксированного времени первого такта позволяет подавлять помехи на входе, если длительность такта равна или кратна периоду сигнала помехи.
Временная диаграмма работы преобразователя представлена на рис. 2. С приходом короткого импульса «Пуск» устройство управления (УУ) подключает измеряемое напряжение ко входу интегратора, на выходе которого напряжение начинает линейно возрастать. Время интегрирования является постоянным и зависит от предела измерения входного напряжения.
Рис. 1. Функциональная схема двухтактного преобразователя
Во втором такте УУ переключает ко входу интегратора отрицательное опорное напряжение и его напряжение начинает линейно уменьшаться. Устройство сравнения (УС) определяет момент времени достижения нулевого уровня. За время Tx = t3 – t2 на вход двоичного счетчика (СТ) проходят прямоугольные импульсы от тактового генератора G.
Основные соотношения реализации метода определяются выражениями:
;
(1)
;
(2)
; (3)
.
(4)
Рис. 2. Временная диаграмма метода двухтактного преобразования
Недостатком вольтметра двухтактного преобразования является сложность функциональной схемы и алгоритма его работы, требующая наличие сложного блока управления. В этом аналоге проектируемого устройства отсутствует возможность преобразования отрицательного входного напряжения и нет масштабного преобразования измеряемой величины.
Схема считывания (рис. 3) содержит источник опорного напряжения (ИОН), вырабатывающий уровни опорных напряжений U01, U02,…,U0N; устройства сравнения УС1, УС2,…,УСN; преобразователь кодов (ПКК), преобразующий единичный код Y в выходной двоичный код X.
Преобразование выполняется за один такт с появлением короткого одиночного импульса «Запись». В этот момент времени устройства сравнения выполняют преобразование разности входных сигналов в логические уровни (0 или 1).
Рис. 3. Функциональная схема метода считывания
По сравнению с методом двухтактного преобразования метод считывания более сложен как для проектирования, так и для реализации в виде изделия ввиду сложности реализации ИОНа с большим числом уровней, соот-ветствующих единичным кодам измеряемой величины. Преимуществом представленного метода преобразования является высокое быстродействие вольтметров и аналого-цифровых преобразователей, построенных на основе данного метода.
Оба указанных устройства схожи и частично выполняют требования технического задания. В качестве еще одного устройства-аналога можно указать аналого-цифровой преобразователь, принцип действия которого основан на способе многотактного преобразования [3]. Однако устройство, построенное по такому способу, более сложное, чем двухтактный преобразователь, и предназначено для построения функциональных узлов очень высокой точ-ности, чего не требуется в задании.
Результаты патентного поиска, проведенного по данным официального сайта ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности» (ФИПС) приведены в прил. 2. В прил. 2 показан внешний вид описания изобретения устройства автоматического контроля исправности блоков электрической централизации (ЭЦ), предназначенного для измерения параметров электрического напряжения в устройствах железнодорожной автоматики.
За прототип устройства можно принять двухтактный преобразователь, наиболее близко удовлетворяющий основным требованиям задания, и затем добавить масштабный преобразователь входного напряжения, рассчитать параметры тактового генератора для обеспечения требуемого уровня погрешности восстановления входного напряжения.