СПОСОБ ИНТЕРВАЛЬНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD OF INTERVAL INTEGRATION OF VOLTAGES

Изобретение относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначено для создания прецизионных интеграторов аналоговых сигналов инерциальных систем навигации и автоматического управления в ракетно-космических системах.
Уровень техники.
Известны способы аналого-дискретного интегрирования тока и напряжения [1], применяемые в инерциальных системах навигации для непрерывного интегрирования сигналов инерциальных датчиков. Процесс интегрирования разбивается на временные интервалы импульсами, поступающими из вычислительной машины. На каждом интервале вычисляется интегральная функция. Для того чтобы процесс интегрирования мог продолжаться неопределенное время, в момент достижения выходным сигналом определенного уровня или изменяют полярность подключения аналогового интегратора к входному сигналу, или на определенное время встречно входному сигналу подключают эталонный источник. К основному преимуществу данных интеграторов относится простота структуры и небольшое число элементов. Наиболее существенными недостатками способов аналого-дискретного интегрирования тока и напряжения являются требования к стабильности элементов и к высокой стабильности тактовой частоты импульсов дискретизации, ошибки квантования входных сигналов, влияние паразитных входных емкостей интеграторов.
В качестве аналога выбран способ интегрирования напряжения [2], включающий выполнение операции интегрирования с использованием активного аналогового интегратора, процесс интегрирования разбивают на N интервалов, где N - целое число, из которых формируют циклы, каждый из которых включает n интервалов, причем в течение одного из n интервалов производят интегрирование напряжения, а (n-1) интервалов составляют паузу, в течение которой изменяют структуру активного аналогового интегратора, после завершения процесса интегрирования результат умножают на n. Недостатками известного способа является невозможность осуществления непрерывного интегрирования из-за необходимости выполнять дополнительные вычисления в промежуточные временные интервалы, требование к периодичности входного напряжения, необходимость применения конденсаторов большой емкости при увеличении времени интегрирования.
Технический результат заключается в уменьшении габаритов интеграторов и в повышении точности непрерывного интегрирования аналогового сигнала произвольной формы.
Поставленная цель достигается тем, что процесс интегрирования разбивают на последовательные временные интервалы, в каждом временном интервале из напряжения входного сигнала формируют четыре промежуточных сигнала, первому промежуточному сигналу присваивают значения интегральной функции входного сигнала в четные временные интервалы и нулевые значения в нечетные, второму промежуточному сигналу присваивают значения интегральной функции входного сигнала в нечетные временные интервалы и нулевые значения в четные, третий промежуточный сигнал формируют в нечетные интервалы, как сумму напряжений первого промежуточного сигнала в каждый момент времени и четвертого промежуточного сигнала в конце предыдущего интервала, третьему промежуточному сигналу в четные интервалы сохраняют напряжение, присвоенное ему в конце предыдущего интервала, напряжение третьего промежуточного сигнала приравнивают нулю вначале интегрирования входного сигнала, четвертый промежуточный сигнал формируют в четные интервалы как сумму напряжений второго сигнала в каждый момент времени и третьего в конце предыдущего интервала, четвертому промежуточному сигналу в нечетные интервалы сохраняют напряжение, присвоенное в конце предыдущего интервала, напряжение четвертого промежуточного сигнала приравнивают нулю вначале интегрирования входного сигнала, напряжению выходного сигнала присваивают значение третьего сигнала в нечетные интервалы времени, четвертого сигнала в четные интервалы времени и нуль вначале интегрирования.
Перечисленные отличительные признаки заявляемого изобретения позволяют повысить точность, увеличить временной диапазон работы устройств интегрирования входных напряжений при уменьшении габаритов за счет периодического сброса интеграторов в процессе интегрирования, суммирования интервальных значений интегральной функции входного напряжения, уменьшения требований к величине емкости конденсаторов в цепях обратной связи операционных усилителей.
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений не известны подобные способы интервального интегрирования.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следуют.
Предлагаемые технические решения промышленно применимы, так как основаны на схемотехнических решениях и элементной базе, широко применяющихся в аналоговых и цифровых устройствах, все блоки устройства, осуществляющего предлагаемый способ интегрирования, могут быть изготовлены на известной элементной базе: операционных усилителях, транзисторных ключах, генераторах прямоугольных импульсов, запоминающих устройствах.
и
Рассмотрим предлагаемый способ. Предположим, что интегрирование входного сигнала начинается в момент времени t=0 и заканчивается при t=T. В способе на первом этапе из входного напряжения формируется два сигнала
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msubsup><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><msub><mtext>                     при t</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><msub><mtext>t</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mtext>,t</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mi>π</mi><msub><mtext>t,t</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> 0                при</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2</mtext><mi>π</mi><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo>≤</mo><mtext>t</mtext><mo>≤</mo><mtext>2</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mi>τ</mi><mtext>,при t</mtext><mo><</mo><mtext>0 и при t</mtext><mo>></mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>и</mtext></msub><mtext> </mtext></mtd></mtr></mtable></mrow><mtext>                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msubsup><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msubsup><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><msub><mtext>                     при t</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><msub><mtext>t</mtext><mtext>2</mtext></msub><msub><mtext>,t</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo>,</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mtext> </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> 0                при 2</mtext><mi>π</mi><mi>τ</mi><mo>≤</mo><mtext>t</mtext><mo>≤</mo><mtext>2</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mi>τ</mi><mtext>,при t</mtext><mo><</mo><mtext>0 и при t</mtext><mo>></mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>и</mtext></msub><mtext> </mtext></mtd></mtr></mtable></mrow><mtext>   </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
вх
1
2
1
2
3
4
1
2
где n - номер шага интегрирования, 0<n<N, T - полное время интегрирования входного напряжения, U - входное напряжение. Сигнал U получается на выходе первого интегратора в нечетные интервалы интегрирования и сбросом (обнулением) первого интегратора в четные интервалы. Сигнал U получается на выходе второго интегратора в четные интервалы интегрирования и сбросом второго интегратора в нечетные интервалы. Напряжения U и Uиспользуются для получения составляющих выходного сигнала U и U, которые образуются путем суммирования этих составляющих с U и U по следующим правилам:
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mtext>                     при 2n</mtext><mi>τ</mi><mo><</mo><mtext>t</mtext><mo>≤</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>     при</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo><</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>                 </mtext><mn>0</mn><mtext>                     при t</mtext><mo>≤</mo><mtext>0 и при t</mtext><mo>></mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>и</mtext></msub></mtd></mtr></mtable></mrow><mtext>                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mtext>                           при (2n</mtext><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>τ</mi><mo><</mo><mtext>t</mtext><mo>≤</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>     при2</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo><</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>τ</mi><mtext>         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>                 </mtext><mn>0</mn><mtext>                     при t</mtext><mo>≤</mo><mtext>0 и при t</mtext><mo>></mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>и</mtext></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
3
4
Выходной сигнал получается комбинированием сигналов U и U.
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mtext>     при 2n</mtext><mi>τ</mi><mo><</mo><mtext>t</mtext><mo>≤</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mtext>(t)  при </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>2n</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mo><</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>τ</mi><mtext>                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><mn>0</mn><mtext>                   при t</mtext><mo>≤</mo><mtext>0 и при t</mtext><mo>></mo><msub><mtext>T</mtext><mtext>и</mtext></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>E</mi><mn>1</mn></msub><mtext>    при t</mtext><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>÷</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>E</mi><mn>2</mn></msub><mtext>    при t</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>t</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>÷</mo><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
На фиг.1 представлена структурная схема, поясняющая предлагаемый способ интегрирования, на фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие реализацию предлагаемого способа интегрирования для случая, когда входной сигнал имеет два значения
3
3
4
4
г
Г
3
вых
3
Г
вых
4
вых
Интегрирование входного напряжения выполняется двумя идентичными блоками обработки 1, 2. Верхний блок обработки 1 в нечетные временные интервалы (2nτ, (2n+1)τ) выполняет интегрирование входного напряжения по правилу (1), затем, суммируя напряжения интегратора с выходным напряжением нижнего блока обработки, получает выходное напряжение U по правилу (3). В четные интервалы ((2n+1)τ, 2(n+1)τ) на выходе верхнего блока сохраняется напряжение U((2n+1)τ), полученное в конце предыдущего интервала. Аналогично нижний блок обработки 2 в четные временные интервалы ((2n+1)τ, 2(n+1)τ) выполняет интегрирование входного напряжения по правилу (2), затем, суммируя напряжения интегратора с выходным напряжением нижнего блока обработки, получает выходное напряжение U по правилу (4). В нечетные интервалы (2nτ, (2n+1)τ) на выходе нижнего блока 2 сохраняется напряжение U(2nτ), полученное в конце предыдущего интервала. Сигналы с выходов блоков обработки подаются на входы коммутатора 3, который подключает сигналы к выходу устройства по правилу (5). Процесс интегрирования управляется генератором 4, формирующим на выходе сигнал в виде меандра U с периодом 2τ. При положительных значениях U интегрирование выполняет верхний блок обработки, и коммутатор подключает напряжение U к выходу устройства U=U. При отрицательных значениях U интегрирование выполняет нижний блок обработки, и коммутатор подключает к выходу нижний блок обработки 2 и U=U. При нулевом напряжении на выходе генератора коммутатор отключает оба блока обработки от выхода и U=0.
Г
вых
Процесс интегрирования продолжается до тех пор, пока напряжения U≠0. При этом путем сложение интервальных значений интегрированных входных напряжений на выходе коммутатора 3 формируется непрерывный сигнал U(t) интегральной функции входного напряжение в течение всего периода интегрирования.
Разбиение процесса интегрирования на временные интервалы позволяет значительно уменьшить требование к величине емкости накопительных конденсаторов в цепях обратной связи интегратора, благодаря чему появляются возможности создания прецизионных твердотельных интеграторов для устройств непрерывного интегрирования.
1. Киселев Л.Н., Осокин С.А. Аналого-дискретные интеграторы тока и напряжения. Авиакосмическое приборостроение, 2009, №5, с.16-20.
2. Казаков М.К., Джикаев Г.В. и др. Способ выборочного интервального интегрирования напряжения. Патент РФ на изобретение №2218599 С1, МПК G06G 7/186 от 19.04.2002.