Устройства сравнения и вычитания
Тема 15. Автоматизированная обработка измерительной информации
Лекция 30. Назначение устройств обработки информации
Устройства обработки информации — это информационные преобразователи, функциональное назначение которых определяется их функцией преобразования. Функция преобразования представляет собой зависимость y = Ф(x) и связывает входную и выходную величины рассматриваемого устройства. В математике термин «обработка» эквивалентен термину «оператор». Понятие «оператор» в общем случае означает соответствие между элементами двух множеств. Понятие «функция» является простейшим примером оператора, когда оба множества числовые.
Устройства обработки информации предназначены для выполнения любых математических операций. В системе они функционально являются вычислительными устройствами. Границы раздела устройств на измерительные и вычислительные во многом условны. Любой информационный преобразователь является и вычислителем, так как он реализует определенную функцию преобразования «оператор».
При выполнении математических операций с числовыми величинами (величинами, представленными кодами) могут использоваться алгоритмы обработки, основанные на методах счета и считывания. В преобразователях, работающих по методу счета, переменные величины могут поступать в устройство обработки информации единичными или разрядными превращениями.
В преобразователях, работающих по методу совпадения, функция хранится в запоминающем устройстве и считывается из него по значениям переменных. Этот метод обладает самым большим быстродействием и позволяет реализовывать сложные операторы.
Обработка информации может осуществляться централизованно или быть рассредоточена по отдельным преобразователям. В первом случае для обработки используются специализированные устройства, которые получили название «вычислительные машины», во втором случае обработка ведется с помощью информационных преобразователей по всему тракту преобразования информации.
В устройствах измерения с помощью статистической обработки полученной информации можно уменьшить погрешность измерения информации, привести сигналы к единому масштабу, умножив или разделив на соответствующие коэффициенты; представить результаты измерения в логарифмическом масштабе, что позволяет расширить диапазон изменения входной величины; выполнить функциональное преобразование с целью линеаризации характеристики общего тракта преобразования. Если объем вычисления значителен, то целесообразно использовать централизованную обработку и применять в качестве устройства обработки информации специальные или универсальные средства вычислительной техники.
Устройства сравнения и вычитания
В простейших системах управления и автоматического регулирования устройства обработки информации выполняют операцию вычитания в соответствии с выражением ∆ = x ‒ z. Условное графическое обозначение устройства вычитания и зависимость ∆ = Фп(x, z) для аналоговой величины при использовании непрерывных величин и амплитудной модуляции представлены на (рис. 15.1 а, б). При этом определяют размер и знак отклонения величины x от z. В ряде случаев достаточно определить знак ∆, например при выполнении операции сравнения. Выходная величина квантуется и представляется одноразрядным двоичным кодом ∆( 
) с логическими уровнями сигналов A0 = 0, A1 = 1 (рис. 15.1 в).
Используются устройства сравнения, в которых на выходе сигнал может быть представлен одноразрядным трехпозиционным кодом ∆( 
) (рис. 15.2 а) или двухразрядным двоично-троичным кодом ∆( 
) (рис. 15.2 б). В первом случае имеется один выход, и сигнал представляется тремя логическими уровнями (A0, A1, A2), во втором случае имеются два выхода n1 и n2, на каждом из которых сигнал представляется двумя логическими уровнями (A0, A1) (рис. 15.2 в).
Для сравнения и вычитания сигналов электрических резистивных преобразователей используются схемы, в которых путем соответствующего включения резистора датчика и задающего резистора в диагонали моста формируется напряжение, пропорциональное отклонению сопротивления резистора датчика от заданного.
Для сравнения и вычитания электрических напряжений широко используются операционные усилители. Они выполняются по дифференциальной схеме и усиливают только разность поданных на них напряжений. Операционные усилители являются универсальными вычислительными элементами, способными реализовывать различные математические операции за счет схемы включения. Схема устройства сравнения (компаратора) на операционном усилителе ОУ представлена на (рис. 15.3). На неинвертирующий вход (см. рис. 15.3 а) подается напряжение Ux, которое необходимо сравнить с заданным напряжением Uz. До момента сравнения tc (см. рис. 15.3, б) на выходе ОУ будет низкое напряжение (см. рис. 15.3 в). При Ux = Uz в момент tc на выходе операционного усилителя ОУ напряжение скачком изменяется и возрастает до высокого значения. Этот скачок (перепад) напряжения может использоваться как команда.
Для сравнения напряжений в регуляторах напряжения широко используются параметрические стабилизаторы (см. рис. 15.3 г). Основу такого устройства составляет стабилитрон VD с напряжением стабилизации Uст. Заданное напряжение Uz формируется с помощью стабилитрона и резистора R. При достижении входным напряжением Ux значения Uz происходит пробой стабилитрона. После этого напряжение на стабилитроне остается постоянным при увеличении входного напряжения, а на резисторе R — растет. Напряжение Uz вычитается из напряжения Ux, и полученная разность напряжений Uy = Ux ‒ Uz подается на усилитель устройства управления. В практических схемах для подбора требуемого значения напряжения Uz применяется делитель напряжения.
В основу работы устройства сравнения, построенного на логических элементах, положены алгоритмы устранения совпадающих (с) и чередующихся (ч) импульсов (рис. 15.4 а). Оставшиеся импульсы составляют разностный сигнал ∆f. Функции устройства вычитания и сравнения выполняет схема, приведенная на (рис. 15.4 б). Сравниваемые импульсные последовательности поступают на входы f1, f2. Сформированный формирователем F сигнал при совпадении импульсов на входе схемы И1 закрывает прохождение импульсов через схемы И2 и И3. Прошедший через схему И2 импульс устанавливает триггер ТТ в такое положение, что импульс через схему И5 не проходит. Прошедший схему И3 импульс с помощью триггера ТТ закрывает схему И4.
На выходе схемы ИЛИ формируется разностная последовательность импульсов, которая является выходной, а на выходе схем И4 и И5 появляются импульсные сигналы, которые могут использоваться в последующих устройствах как знак разности.
При представлении величин кодами для выполнения операций сравнения и вычитания используются также сумматоры. В настоящее время для операции сравнения в кодовом виде целесообразно использовать элементы микропроцессорной техники.