Способ и устройство записи и хранения напряжения
METHOD AND DEVICE FOR RECORDING AND STORING VOLTAGE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах для обработки или преобразования аналоговой информации.
Попытки сохранять в течение длительного времени значения напряжения и тока связывают с наличием элементов, обладающих определенной инерцией этих параметров во времени. К таким элементам относятся индуктивности, обладающие инерционностью значений тока, и конденсаторы, с инерционностью по напряжению накопленного заряда. В силу утечек энергии оба этих элемента буду постепенно уменьшать накопленный энергетический потенциал. Поэтому попытки построить оперативную аналоговую память на базе существующих элементов долговременного хранения имеют значительные ограничения. Способы компенсации потерь энергии приводят к значительному усложнению схемных решений, аппаратным затратам и снижению надежности.
Возникает задача создания схемного варианта записи и сохранения значений аналогового напряжения во времени, отказавшись от сохранения напряжения на накопителях энергии и аналого-цифровых преобразований, которые приводят к повышению сложности аппаратуры, снижают точность и быстродействие элементов памяти.
Известны электроуправляемые резистивные элементы аналоговой памяти [SU1840837A1 Юшина Л.Д. (RU), Терехов В.И. (RU) «Электроуправляемый резистивный элемент с аналоговой памятью»; Храповицкая Ю. В., Маслова Н. Е., Занавескин М. Л. «Перспективные структуры с эффектом памяти, созданные на основе неорганических материалов» //Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (электронный журнал). - 2013. - № 12. - С. 1. DOI: 10.7463/1213.0669629.], которые позволяют создавать схемы записи и долговременного хранения значения входного напряжения за счет обратимых химических реакций, изменяющих сопротивление элемента. Недостатком устройств памяти на основе таких элементов, по сравнению с заявленным ниже техническим решением, является низкая скорость записи информации, что препятствует их применению в качестве элементов оперативной памяти.
Известно аналоговое запоминающее устройство [RU 2018980 C1], в котором заявленное повышение точности, стабильности и быстродействия устройства достигается за счет подачи в выходную цепь напряжения аддитивной погрешности с обратным знаком с целью ее полной компенсации. Устройство содержит первый и второй аналоговые переключатели, устройства выборки-хранения, запоминающие конденсаторы, блок управления, аналоговые ключи и буферный усилитель. Недостатком устройства является использование в качестве элемента памяти конденсаторов, которые в течение времени разряжаются и поэтому не могут использоваться в качестве надежного источника долговременного хранения данных, а цифровой метод компенсации приводит к усложнению устройства.
Известны устройство и способ упрощенной записи и воспроизведения аналогового сигнала [RU 2204176 С2]. Варианты устройства содержат интерфейс для интерпретации внешних команд, средства управления, средства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и цифровой информации в аналоговую форму, память, мультиплексор, аудиофильтр и демультиплексор. Память разделяют на множество секторов и дают команды считывания байтов данных, при этом, если байты содержат нули, идентифицируют текущий сектор памяти как пустой, а если байты являются ненулевыми, идентифицируют текущий сектор памяти как сектор сообщения. Данные устройство и способ относятся к гибридным цифро-аналоговым устройствам. Недостатком является необходимость преобразований сигнала, что приводит к дополнительным задержкам записи и считывания и значительному усложнению схемы.
Наиболее близким по способу и устройству формирования уровня запоминаемого напряжения является аналоговое запоминающее устройство [RU 2178207 C1], которое выбрано в качестве прототипа. Прототип содержит два операционных усилителя, два конденсатора, резистор, три ключа, источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, два логических инвертора, два логических вентиля 2И. Прототип выполняет запись значений поступающего на вход аналогового сигнала по совпадению входного напряжения с напряжением пилообразного сигнала, генерируемого в устройстве. Перезапись входного напряжения выполняется периодически в фиксированные временные интервалы и сохраняется на двух конденсаторах, подключенных к операционным усилителям. Недостатком прототипа относительно заявленного технического решения является необходимость периодической перезаписи значений входного напряжения, т.к. применение в качестве элемента памяти конденсаторов не позволяет длительное время сохранять его фиксированные значения.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении возможности долговременного хранения в энергозависимой памяти заданного значения напряжения, уменьшении времени записи в аналоговую память заданного уровня напряжения по сравнению с известными методами, основанными на аналого-цифровых преобразованиях и емкостном накоплении зарядов, упрощении устройства за счет применения событийного управления режимами работы без применения цифровых схем. Патентуемый подход основан на преобразовании значения напряжения во временной интервал.
0
0
1
2
1
Поставленная цель в способе записи и хранения напряжения V , лежащего в пределах значений от Eдо E (E< E), достигается тем, что для получения заданного значения постоянного напряжения генерируют два линейно изменяющихся периодических пилообразных сигнала (ПС) U(t) и  U(t) с амплитудой  и периодом Т, напряжение ПС U(t) изменяют по закону, представленному выражением:
(1) ,
1
U(t) - первый линейно изменяющийся периодический пилообразный сигнал;
t – текущее время;
0
E- постоянная величина нижнего значения записываемого напряжения;
E- постоянная величина верхнего значения записываемого напряжения;
n – номер периода линейно изменяющегося периодического пилообразного сигнала,  n ≥0;
Т – длительность периода;
+
T - левая граница интервалов [nT, (n+1)T];
-
T - правая граница интервалов [nT,(n+1)T];
2
напряжение ПС U(t) изменяют по закону, представленному выражением:
(2),
2
1
где  – задержка ПС U(t) по времени относительно ПС U(t),
2
1
2
U(t) - второй линейно изменяющийся периодический пилообразный сигнал; для формирования значений напряжения V(t) ПС U(t) и  U(t) складывают по закону, представленному выражением:
(3),
0
2
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
2
2
0
2
2
2
0
0
для изменения значения напряжения V(t)  в интервале от Eдо E изменяют временную задержку τ напряжения ПС U(t) относительно напряжения ПС U(t) от 0 до Т, для записи в память напряжения V, находящегося в диапазоне E≤ V≤  E, напряжение ПС U(t) сравнивают с напряжением V, когда в момент времени t, nT≤ t≤(n+1)T, напряжение U(t) достигает значения U(t)=Vнапряжение генератора ПС U(t) сбрасывают до значения 0, генератор напряжения ПС U(t) запускают вновь с задержкой τ=t-nT, начинают генерировать линейно уменьшающееся периодическое напряжение ПС U(t) с задержкой τ, при котором напряжение ПС U(τ+nT)=0, сразу после перезапуска генератора напряжения ПС U(t) подачу записываемого напряжения V прекращают и начинают формировать выходное напряжение V(t)= V согласно выражениям (1, 2, 3).
На фиг.1 изображена структурная схема устройства.
Поставленная цель в устройстве записи и хранения напряжения (УЗХН) (Фиг. 1) достигается тем, что для формирования каждого ПС используют два генератора пилообразного сигналов (ГПС) – первый ГПС (1) и второй ГПС (2), сумматор граничных напряжений (СГН) (3), сумматор пилообразных сигналов (СПС) (4), блок смещения ПС (БСПС) (5), первый вывод (6) УЗХН соединен с первым входом (7) первого ГПС (1) и с первым входом (8) СГН (3), второй вывод (9) УЗХН соединен со вторым входом (10) СГН (3), третий вывод (11) УЗХН соединен со вторым входом (12) первого ГПС (1), четвертый вывод (13) УЗХН соединен с третьим входом (14) первого ГПС (1), выход (15) СГН (3) соединен с четвертым входом (16) первого ГПС (1), с первым входом (17) второго ГПС (2) и с первым входом (18) БСПС (5), первый выход (19) первого ГПС (1) соединен с первым входом (20) СПС (4), второй выход (21) первого ГПС (1) соединен со вторым входом (22) второго ГПС (2), третий выход (23) первого ГПС (1) соединен со вторым входом (24) СПС (4) и со вторым входом (25) БСПС (5), первый выход (26) второго ГПС (2) соединен с третьим входом (27) СПС (4),  второй выход (28) второго ГПС (2) соединен с четвертым входом (29) СПС (4) и с третьим входом (30) БСПС (5), первый выход (31) СПС (4) соединен с четвертым входом (32) БСПС (5), второй выход (33) СПС (4) соединен с выходом (34) БСПС (5) и с выходом УЗХН (35).
На фиг. 2 изображены эпюры напряжений, поясняющие способ и работу устройства в режиме хранения напряжения V(t).
На фиг.3 изображены эпюры напряжений, поясняющие способ и работу устройства в режиме записи хранимого напряжения V(t).
Рассмотрим порядок формирования выходного напряжения с помощью патентуемого способа. Пусть задержка τ=0. Тогда согласно выражениям (1-3)
(4)
0
Из (4) следует, что при задержке τ=0  V(t)≡ E.
Пусть задержка τ>0. Тогда согласно выражениям (1-3)
(5)
Из (5) следует, что при задержке τ=Const≠0
,        (6)
Напряжение V(t) является постоянной величиной, которая определяется задержкой τ=Const≠0. Таким образом, доказано, что применение предложенного способа приводит к хранению записанного напряжения на протяжении всего времени работы генераторов.
Эпюры, поясняющие патентуемый способ в режиме записи значения напряжений в память, показаны на фиг.3.
1
вх
1
зп
Вначале на вход (11) УЗХН подан нулевой уровень напряжения и задержка τ=0.  Пусть с момента времени tна вход (11) УЗХН начинает подаваться уровень напряжение U=V>0, а на четвертый вход (13) УЗХН сигнал записи U. Это событие приводит к началу выполнения режима записи.
2
1
1
2
2
2
1
2
1
1
В момент времени t, когда происходит совпадение значений напряжений V и U(t), напряжение второго ГПС (2) сбрасывается до нуля (U(t)=0) и он начинает генерировать линейно уменьшающееся напряжение с задержкой τ= t. Режим записи при этом отключают и переходят к режиму хранения напряжения V. Выходное напряжение V(t) принимает значение V. Это напряжение сохраняется на выходе (35) УЗХН до поступления сигнала записи нового значения напряжения.
3
2
зп
5
2
1
5
2
5
2
5
4
2
В момент времени t начинается подача записываемого напряжения V<0 , а на четвертый вход (13) УЗХН подается сигнал записи U. Устройство снова переходит в режим записи. В момент времени t при совпадении значений напряжений V=U(t) происходит сброс генератора напряжения U(t)=0 и он начинает генерировать новое линейно уменьшающееся напряжение с задержкой τ= t-t. Режим записи при этом отключают и УЗХН переходит к режиму хранения напряжения V(t)= V.
1
2
Как следует из описания режима записи, максимальное время записи не превышает период Т линейно изменяющихся напряжений U(t) и U(t).
Рассмотрим работу УЗХН (Фиг. 1), реализующего представленный выше способ. В УЗХН применен событийный способ управления режимами работы блоков на основе континуальных процессоров [RU 2739723 C1].
0
1
0
0
2
1
0
2
В режиме хранения значения напряжения оба ГПС (1) и (2) генерируют пилообразные линейно изменяющиеся напряжения с периодом Т и с амплитудой E-E, значение которой задается сумматором СГН (3). На выходе (19) первого ГПС (1) формируется линейно нарастающее пилообразное напряжение U(t), начинающееся с уровня E. При достижении уровня Е (в конце периода) напряжение сбрасывается до начального Eи начинается новый цикл генерации (Фиг. 2). При этом на событийный выход (23) подается логический уровень завершения процесса генерации линейно возрастающего сигнала. На выходе (26) второго ГПС (2) формируется линейно убывающее напряжение U(t), начинающееся с уровня 0 и сдвинутое относительно напряжения U(t) на τ.  При достижении уровня (–Е+Е) напряжение сбрасывается до начального значения и начинается новый цикл генерации (Фиг. 2). При этом на событийный выход (28) подается логический уровень завершения процесса генерации линейно убывающего сигнала U(t).
Выходы (33) и (34) СПС (4) и БСПС (5) объединены, т.к. выходные сигналы этих блоков несовместны. При подключении СПС (4) сигнал с БСПС  (5) отключается от выхода (35) УЗХН и наоборот, при подключении БСПС (5) сигнал с СПС (4) отключается от выхода (35) УЗХН. Управление переключением СПС (4) и БСПС (5) осуществляется событийными сигналами, поступающими с выходов (23) и (28)  первого ГПС (1) и  второго ГПС (2). В результате на выходе формируется комбинация двух несовместных сигналов:
(7)
в первом случае и
(8)
во втором случае.
Подаваемый с выхода (23) логический уровень при значении единица отключает от выхода (35) УЗХН выход (33) СПС (4) и подключает выход (34) БСПС (5) к выходу (35) УЗХН. Подаваемый с выхода (28) логический уровень при значении единица отключает выход (34) БСПС (5) и подключает выход (33) СПС (4) к выходу (35) УЗХН. Устойчивое состояние выходных ключей СПС (4) и БСПС (5) сохраняется до появления сигнала на выходах (23) и (28). При одновременном появлении на событийных выходах (23) и (28) единицы к выходу УЗХН всегда будет подключен СПС (4) и выполняется сложение сигналов по формуле (7).
Для перевода УЗХН в режим записи на его третий вход (11) подается записываемое аналоговое напряжение, а на его четвертый вход (13) подается логический уровень единица. При этом в первом ГПС (1) выполняется сравнение уровней линейно нарастающего напряжения с записываемым уровнем напряжения V.  При совпадении значений на втором (событийном) выходе (21) формируется логический уровень записи, который подается на второй (событийный) вход (22) второго ГПС (2). Режим сравнения сигналов в первом ГСП (1) завершается. При подаче логического уровня единица на вход (22) в ГПС (2) происходит сброс напряжения до начального значения и начинается новый цикл генерации линейно убывающего напряжения  (Фиг. 3). Далее УЗХН работает в режиме хранения значения напряжения.
Точность и длительность сохранения напряжения в устройстве памяти связана с характеристиками генераторов ПС. Она определяется линейностью генерируемых напряжений, уменьшением задержки сброса пилообразного напряжения при достижении амплитудных значений и стабильностью работы генераторов.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемые устройство и способ обеспечивают по сравнению с прототипом заявленные преимущества.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями существенных признаков, тождественными всем признакам заявленного способа и устройства отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".
Предложенные способ и устройство являются промышленно применимыми к существующим техническим средствам и соответствуют критерию «изобретательский уровень», так как они явным образом не следуют из уровня техники.
Таким образом, предложенные технические решения соответствует  установленным условиям патентоспособности изобретения.