Патент на изобретение №2232413
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИГНАЛА
(57) Реферат: Изобретение относится к устройству и способу контроля сигнала для установления пиковых значений. Устройство включает первый детектор, к которому подается сигнал и который выдает сигнал срабатывания, когда указанный сигнал превышает заданное первое пороговое значение; второй детектор, к которому тоже подается указанный сигнал и который выдает сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает заданное второе пороговое значение; генератор сигналов, к которому подается сигнал с первого детектора и который начинает выдавать сигнал “окна” заданной продолжительности, когда на его входе появляется сигнал срабатывания; схему И, на входы которой подаются сигнал детектора и сигнал от генератора сигналов и которая генерирует сигнал детектирования пикового значения, когда к ее входам приложены сигнал “окна” и сигнал превышения порогового значения. Предлагаемый способ включает циклическое проведение следующих операций: определение амплитуды указанного сигнала и выделение сигнала детектирования пикового значения, когда амплитуда сигнала за заданный период времени превышает заданное значение. Технический результат заключается в создании способа и устройства контроля сигнала, обеспечивающих быстрое и надежное детектирование пиковых значений. 5 с. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил. Настоящее изобретение относится к устройству и способу контроля сигнала для установления пиковых значений. Подобного рода устройство и способ находят применение в измерительной технике, когда приходится контролировать сигналы с внезапным резким превышением пиковых значений. Появление таких пиковых значений при традиционном измерении значения сигнала может привести к перегрузке измерительного прибора и к нарушению самого процесса измерения. Вышесказанное можно объяснить на примере электронного контроля за интенсивностью корпускулярного излучения, генерируемого в синхротроне. При генерации пучка частиц путем извлечения его из синхротрона в редких случаях может оказаться, что все число частиц, имеющихся в момент извлечения в синхротроне выходит из него за несколько миллисекунд. При этом могут появляться интенсивности излучения, которые в несколько тысяч раз выше ожидаемых. Этот тип извлечения называется “быстрым” извлечением частиц в отличие от “обычного” извлечения частиц, при котором частицы выходят за несколько секунд. Быстрое извлечение частиц может привести к повреждению оборудования или веществ, на которые действует пучок частиц, если не удается прервать его достаточно быстро. Это особенно важно при облучении человека в рамках лечения ракового заболевания корпускулярным излучением. Хотя известные устройства и способы, использующие электрический сигнал для измерения и контроля интенсивности излучения при обычном извлечении частиц, способны установить факт быстрого извлечения и инициировать его прерывание, они из-за выполнения главной своей задачи – максимально точного измерения интенсивности излучения, реагируют недостаточно быстро. Кроме того, известные устройства для измерения интенсивности излучения при сильном превышении диапазона измерений отказывают в работе. Итак, задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа контроля сигнала, обеспечивающих быстрое и надежное детектирование пиковых значений. Это достигается с помощью устройства согласно пп.1 и 2 формулы изобретения и способа с признаками, описанными в пп.6-8 формулы изобретения. Выгодные варианты выполнения изобретения описаны в дополнительных пунктах формулы изобретения. Предлагаемое устройство контроля сигнала включает: – первый детектор, на вход которого подается сигнал и который на выходе выдает пусковой сигнал, когда указанный сигнал превышает заданное первое пороговое значение; – второй детектор, на вход которого тоже подается указанный сигнал и который на выходе выдает сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает заданное второе пороговое значение; – генератор сигналов, на вход которого подается сигнал от первого детектора и который начинает выдавать сигнал “окна” заданной продолжительности, когда на его входе появляется пусковой сигнал; – схему И, на входы которой подаются сигнал от второго детектора и сигнал “окна” от генератора сигналов и которая на выходе формирует сигнал детектирования пикового значения, когда к ее входам приложены сигнал “окна” и сигнал превышения порогового значения. Согласно другому варианту выполнения изобретения предлагаемое устройство контроля сигнала включает: – первый детектор, на вход которого подается сигнал и который на выходе выдает первый сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает первое заданное пороговое значение; – второй детектор, на вход которого тоже подается указанный сигнал и который на выходе выдает второй сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает второе заданное пороговое значение; – дифференцирующее устройство, на вход которого тоже подается указанный сигнал и которое на выходе выдает производную сигнала по времени; – третий детектор, на вход которого подается производная сигнала по времени и который на выходе выдает сигнал нарастания, когда производная сигнала по времени превышает третье заданное пороговое значение; – первую схему И, на входы которой подаются сигнал от первого детектора и сигнал от третьего детектора и которая на выходе выдает пусковой сигнал, когда к его входам приложены первый сигнал превышения порогового значения и сигнал нарастания; – генератор сигналов, на вход которого подается сигнал от схемы И и который на выходе начинает выдавать сигнал “окна” заданной продолжительности, как только к его входу будет приложен пусковой сигнал; – вторую схему И, на входы которой подаются сигнал от второго детектора и сигнал от генератора сигналов и которая на выходе формирует сигнал детектирования пикового значения, когда к ее входам будут приложены второй сигнал превышения порогового значения и сигнал “окна”. Предлагаемый способ контроля сигнала включает циклическое проведение следующих операций: – определение амплитуды сигнала; – выделение сигнала детектирования пикового значения, когда амплитуда сигнала за заданный период времени превышает заданное значение. Согласно другому виду выполнения изобретения предлагаемый способ контроля сигнала включает следующие операции: – установление возможного превышения сигналом заданного первого порогового значения; – запуск генерирования сигнала “окна” заданной продолжительности в случае превышения сигналом первого порогового значения; – установление возможного превышения сигналом заданного второго порогового значения; – генерирование сигнала превышения порогового значения в случае превышения сигналом заданного второго порогового значения; – выделение сигнала детектирования пикового значения в случае наличия как сигнала “окна”, так и сигнала превышения порогового значения. Усилитель является составной частью терапевтического оборудования и служит в качестве вольт-амперного преобразователя (ток-напряжение, ФЭУ). Предлагаемые устройство и способ имеют ряд преимуществ. Поскольку они базируются на измерительных приборах, которые уже используются для контроля интенсивности излучения при обычном извлечении частиц, отпадает необходимость в применении дополнительных устройств по выделению сигналов. Обрабатываются сигналы, получаемые при обычном измерении интенсивности излучения. Благодаря этому удается избежать любого дополнительного воздействия на пучок частиц и на ход обычного измерения интенсивности излучения. Поэтому обычное измерение интенсивности излучения и предлагаемый контроль сигнала можно осуществлять параллельно. Поскольку действие предлагаемых устройств и способа основаны на принципе регистрации изменения сигнала, они отличаются высоким быстродействием, благодаря чему они могут работать в режиме реального времени. Вариант выполнения изобретения согласно пп.2 и 8 формулы изобретения предусматривает регистрацию направления фронтов контролируемого сигнала. Этот вариант выполнения имеет преимущество в том случае, когда в контролируемом сигнале за короткий период времени могут появляться пиковые значения, следующие друг за другом, например, таким образом, что первое некритическое, возможно, значение еще не полностью затухло, а сигнал уже начинает нарастать в сторону следующего, теперь уже критического пикового значения. Тогда может начаться следующее измерение нарастания сигнала, хотя он еще не понизился ниже первого (нижнего) порога. Настоящее изобретение иллюстрируется на примерах выполнения и чертежах, где фиг.1 – структурная схема устройства для контроля сигнала согласно первому примеру выполнения изобретения; фиг.2 – блок-схема устройства по фиг.1; фиг.3 – характеристики сигналов в случае усилителя; фиг.4 – типичная характеристика контролируемого сигнала в диаграмме (а) и вырез из последнего в диаграмме (б); фиг.5 – структурная схема устройства для контроля сигнала согласно второму примеру выполнения изобретения; фиг.6 – блок-схема устройства согласно фиг.5; фиг.7 – характеристики сигналов у определенных компонентов устройства согласно фиг.5; фиг.8 – характеристику сигнала в режиме реального времени. На фиг.1 показана структурная схема устройства для контроля сигнала согласно первому виду выполнения изобретения, а на фиг.2 – блок-схема устройства. Устройство может применяться для контроля интенсивности излучения в оборудовании для облучения тяжелыми ионами, предназначенном для лечения раковых заболеваний. Сигнал, используемый для контроля интенсивности излучения, представляет собой сигнал, характеризующий интенсивность пучка частиц во времени. Этот сигнал дает ионизационная камера, которая размещена на пути пучка частиц. Проходящие через нее частицы генерируют электрические заряды, величина которых является мерой количества частиц и интенсивности излучения соответственно. На фиг.3(а) показана диаграмма с типичной характеристикой этого сигнала над абсциссой с секундным делением, а на фиг.3(б) – отрезок сигнала во временной области около пикового значения с высоким временным разрешением. Выходящий из ионизационной камеры зарядовый сигнал, подлежащий контролю, подается к размещенному на входе контрольного устройства вольт-амперному усилителю 100. Вольт-амперный усилитель 100 служит для отделения входа контрольного устройства от (не изображенного) устройства для измерения интенсивности излучения, к которому подается тот же сигнал. После усилителя 100 сигнал подается дальше по двум ветвям. В одной ветви размещен сигнальный детектор 10, который сравнивает величину поступающего от входа сигнала с низким пороговым значением. Сигнальный детектор предназначен для установления поступления отличного от нуля сигнала интенсивности, т.е. для установления наличия пучка частиц. Сигнальный детектор 10 выполнен в виде компаратора, который на выходе выделяет сигнал высокого уровня (логическую “1”), когда входной сигнал выше или равен пороговому значению “ПОРОГ_LO”, но не выделяет другого сигнала (логический “0”). Выход сигнального детектора 10 соединен со входом сигнального генератора 30. Импульсный генератор 30 генерирует выходной сигнал высокого уровня заданной длительности, т.е. открывает временное “окно”, когда на его вход подается сигнал высокого уровня. Итак, сигнальный генератор 30 запускается сигнальным детектором 10. В другой ветви размещен амплитудный детектор 20, который сравнивает величину поступающего от входа сигнала с высоким пороговым значением “ПОРОГ_HI”. Амплитудный детектор 20 тоже выполнен в виде компаратора, который выделяет сигнал высокого уровня, когда входной сигнал выше или равен пороговому значению “ПОРОГ_НI”. Пороговое значение “ПОРОГ_НI” выбрано так, чтобы оно было лишь чуть ниже максимального выходного напряжения, т.е. пределов рабочей области выходного усилителя 100. Выходные сигналы импульсного генератора 30 и амплитудного детектора 20 подаются к схеме И 40, которая выделяет сигнал высокого уровня, когда на обоих входах наличествует сигнал высокого уровня. Этот сигнал управляет реагирующим устройством 110, которое при необходимости вызывает немедленное прерывание пучка частиц. Реагирующее устройство в данном случае изображено в виде триггера, который прерывает подачу тока к установленному за ним светодиоду 120. Итак, когда на вход контрольного устройства подается сигнал, открывается “окно” определенной продолжительности. Если сигнал за этот период времени возрастет лишь в “допустимо незначительной мере”, будет происходить обычное извлечение частиц. Тогда пучок частиц не подвергается какому-либо воздействию, временное “окно” закрывается, а сигнал падает ниже порогового значения “ПОРОГ_LO”. Наоборот, если сигнал за заданный временным “окном” период возрастет выше допустимого значения, т.е. до или выше значения “ПОРОГ_НI”, можно предположить, что характеристика контролируемого сигнала будет нежелательной, что равнозначно быстрому извлечению частиц. В этом случае требуется немедленное срабатывание реагирующего устройства – в данном случае триггера 110, прерывающего выходной сигнал “СВЕТ”. Итак, не нужно измерять истинного пикового значения сигнала и достаточно установить нарастание сигнала в начале быстрого извлечения частиц. Следовательно, вполне достаточно иметь возможность управлять входным сигналом усилителя 100 до такой степени, чтобы усилитель в течение заданного периода времени до достижения предела насыщения успел усилить максимально допустимое нарастание сигнала (т.е. до значения “ПОРОГ_HI”). С одной стороны, это упрощает определение параметров усилителя относительно фактора усиления и пределов насыщения, а с другой стороны, позволяет установить указанные параметры на максимально точное измерение интенсивности в условиях обычного извлечения частиц. На фиг.3 изображена работа вышеуказанного усилителя. Кривая 1 представляет собой характеристику входного сигнала, а кривая 2 – выходного сигнала во времени. На фиг.3(а) усилитель для всего входного сигнала работает линейно, что соответствует условиям обычного извлечения частиц, в то время как усилитель на фиг.3(б) перегружен в 100 раз; выходной сигнал вскоре после нарастания достигает предела насыщения. Этот факт соответствует быстрому извлечению частиц. Предел насыщения тогда будет соответствовать примерно пороговому значению “ПОРОГ_НI”. Устройство согласно первому примеру выполнения изобретения (фиг.1 и 2) предназначено для контроля сигналов, которые между двумя пиковыми значениями вновь возвращаются до нуля (или ниже значения “ПОРОГ_LO”). Однако в случае контроля сигнала, при котором временной интервал между двумя следующими друг за другом пиковыми значениями такой короткий, что сигнал не успевает спасть до нуля, генератор временного “окна” не сработает и не произойдет нового измерения нарастания сигнала. В таком случае к контрольному устройству согласно второму примеру выполнения в соответствии с фиг.5 и 6 добавляют еще частотный детектор с расстроенным контуром 50, 60, к которому тоже подается прошедший входной усилитель 100 сигнал. Этот детектор состоит из D-звена 50 и включенного после него компаратора 60. D-звено образует производную сигнала ПУЛЬС по времени. Последняя сравнивается с пороговым значением ПОРОГ_FL компаратором 60. В случае, когда производная по времени выше порогового значения, компаратор выделяет одиночные импульсы высокого уровня (логическую “1”). Выход частотного детектора с расстроенным контуром 50, 60 через схему И 70 логическим соединением И связан с выходом сигнального детектора 10. Выход схемы И 70 соединен с генератором 30 временного “окна”, т.е. он запускает последний. Компоновка устройства в остальном соответствует устройству, описанному в связи с фиг.1-3. На фиг.8 изображен истинный сигнал, генерируемый в результате вызванного опытным путем быстрого извлечения частиц. По сравнению с сигналом, изображенным на фиг.4(б), бросается в глаза заметно более короткое время нарастания и плоское плато сигнала, вызываемое перегрузкой усилителя. Принцип действия устройства основан на том, что усилитель воспринимает слишком сильные для его установки сигналы так, как будто периоды их нарастания намного короче действительных. В верхней диаграмме на фиг.7 изображены уровни сигналов определенных компонентов схемы по фиг.5, наличествующие в случае контролируемого сигнала, представленного на нижней диаграмме. При нарастании сигнала (степень нарастания равен или больше значения “ПОРОГ_FL”) выход частотного детектора с растроенным контуром 50, 60 OUT_FL принимает высокий уровень. Когда сигнал превышает пороговое значение “ПОРОГ_LO”, напряжение на выходе OUT_LO сигнального детектора 10 принимает высокий уровень. Тогда через схему И 70 запускается генератор 30 временного “окна”, выход которого dt на определенное время выделяет сигнал высокого уровня. В течение этого периода времени контролируемый сигнал превышает и верхнее пороговое значение “ПОРОГ_НI”, вследствие чего через схему И 40 запускается триггер и понижает уровень напряжения “СВЕТ”. По истечении заданного периода времени сигналом CLRFF вновь устанавливается высокий уровень напряжения “СВЕТ”. Второй пик контролируемого сигнала в пределах временного окна dt не достигает критического порогового значения “ПОРОГ_НI” и в течение этого периода не происходит реакции триггера 110. До повторного нарастания до третьего пика сигнал не падает ниже порогового значения “ПОРОГ_LО”; информация о нарастании сигнала в этом случае передается изменением напряжения на выходе частотного детектора с расстроенным контуром. В остальном характеристика сигнала соответствует его характеристике у первого пика. Само собой разумеется, что предлагаемое устройство может быть осуществлено и с обратной логикой. Предлагаемые устройство и способ не ограничены вышеописанным применением в оборудовании для облучения. Наоборот, они могут применяться всюду, где необходимо контролировать происшествия, представляемые пиковыми значениями, внезапно появляющимися в определенном сигнале. Формула изобретения 1. Устройство контроля сигнала, содержащее первый детектор (10), на вход которого подается сигнал и который на своем выходе выдает сигнал срабатывания, когда указанный сигнал превышает заданное первое пороговое значение, второй детектор (20), на вход которого тоже подается указанный сигнал и который на своем выходе выдает сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает заданное второе пороговое значение, генератор сигналов (30), на вход которого подается сигнал с выхода первого детектора (10), и который начинает выдавать сигнал “окна” заданной продолжительности, когда на его входе появляется сигнал срабатывания, и схему И (40), на которую подаются сигнал с выхода второго детектора (20) и сигнал “окна” от генератора сигналов (30) и которая на своем выходе формирует сигнал детектирования пикового значения, когда к ее входам приложены сигнал “окна” и сигнал превышения порогового значения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый детектор выполнен в виде компаратора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включает усилитель (100) для усиления сигнала на входе устройства. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выделяемые детекторами сигналы представляют собой уровни напряжения. 5. Устройство контроля сигнала, содержащее первый детектор (10), на вход которого подается сигнал и который на своем выходе выдает первый сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает первое заданное пороговое значение, второй детектор (20), на вход которого тоже подается указанный сигнал и который на своем выходе выдает второй сигнал превышения порогового значения, когда указанный сигнал превышает второе заданное пороговое значение, дифференцирующее устройство (50), на вход которого тоже подается указанный сигнал и которое на выходе выдает производную сигнала по времени, третий детектор (60), на вход которого подается производная сигнала по времени и который выдает сигнал нарастания, когда сигнал на входе превышает третье заданное пороговое значение, первую схему И (70), на входы которой подаются сигнал от первого детектора (10) и сигнал от третьего детектора (60) и которая на выходе выдает сигнал срабатывания, когда к ее входам приложены первый сигнал превышения порогового значения и сигнал нарастания, генератор сигналов (30), на вход которого подается сигнал от схемы И (70) и который на выходе начинает выдавать сигнал “окна” заданной продолжительности, как только к его входу будет приложен сигнал срабатывания, и вторую схему И (40), на входы которой подаются сигнал от второго детектора (20) и сигнал от генератора сигналов (30) и которая на выходе формирует сигнал детектирования пикового значения, когда к ее входам приложены второй сигнал превышения порогового значения и сигнал “окна”. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждый детектор выполнен в виде компаратора. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что включает усилитель (100) для усиления сигнала на входе устройства. 8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что выделяемые детекторами сигналы представляют собой уровни напряжения. 9. Способ контроля сигнала, включающий циклическое проведение следующих операций: установление возможного превышения сигналом заданного первого порогового значения, запуск генерирования сигнала “окна” заданной продолжительности, в случае превышения сигналом первого порогового значения, установление возможного превышения сигналом заданного второго порогового значения, генерирование сигнала превышения порогового значения в случае превышения сигналом заданного второго порогового значения, и выделение сигнала детектирования пикового значения в случае наличия как сигнала “окна”, так и сигнала превышения порогового значения. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанный сигнал сначала подвергается усилению. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что каждый из выделяемых сигналов представляет собой уровень напряжения. 12. Способ контроля сигнала, включающий циклическое проведение следующих операций: установление возможного превышения сигналом заданного первого порогового значения, дифференцирование сигнала по времени, запуск генерирования сигнала “окна” определенной продолжительности в случае превышения сигналом заданного первого порогового значения и превышения дифференцированным сигналом заданного третьего порогового значения, установление возможного превышения сигналом заданного второго порогового значения, генерирование сигнала превышения порогового значения в случае превышения сигналом заданного второго порогового значения, и выделение сигнала детектирования пикового значения в случае наличия как сигнала “окна”, так и сигнала превышения порогового значения. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что указанный сигнал сначала подвергается усилению. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что каждый из выделяемых сигналов представляет собой уровень напряжения. РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
