Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины

 

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИСЖТКЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устройства , четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор , одна ИЗ вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым И вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиапазона , вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя , а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона И через реверсивный счетчик соединен с управлякщим входом переключателя , сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подg ключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока § задания кода, отличающеес я тем, что, с целью распмрения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивлеСд9 ния, управляющие входы которых сое90 динены с выходом реверсивного счетчика , первое цифроуправляемое сопро;о тивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инвертирующим входом второго операционного усилителя И его выходом., соединенным с другой вершиной второй диагонали моста.

СОЮЗ ОООЕТСНИХ

NUNllOI

PECAVSËÈÍ зов С,06С 7 12.

Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й ABTOPCROIIIV СВИДВТВЛЬСТВУ

ГООУДАРС %ЕННЮ КОМИТЕТ 0СОР

М ВВ Ф (21) 3604301/18-24 (22) 15.06. 83 (46) 15;09. 84. Бюл. к- 34 (72) Е. И, Баду, В.В. Дубаренко и Ю.В.Марков (53) 681.335(088.8) (56) 1. Бабушкин Ф.М., Рыбашов М.В.

Оптимальное масштабирование в АВМ и ГВС. Минск, "Наука и техника", 1976.

2. Патент США Ф 3778607, кл. 235-183, опублик. 1973.

3. Заявка Японии й? 49-19341, кл. 97(8), с. 2, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР

W 815729, .кл. С 06 0 7/12, 1978.

5. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3534620/18-24, кл. C 06 C 7/12, 15.01.83 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ

СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИС,1ЖТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом уст ройства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиа.80„„. 1113809 А пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярнымн входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого операционно- 9 го усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, отличающее - Я с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы которых соединены с выходом реверсивного счетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление — между инвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом., соединенным с другой вершиной второй диагонали моста.

1 11138

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к аналоговым вычислительным машинам, и может быть использовано для моделирования динамических систем с большими динамическими диапазонами изменения физических переменных.

Одной из важнейших характеристик вычислительных блоков (ВБ) АВМ является динамический диапазон. В совре- 10 менных АВМ он достигает 10, но практически снижается до 10-50. из соображений обеспечения точности решения динамических задач (13..

Указанное обстоятельство приводит 15 к применению переменного масштабирования и, в частности, автоматической сиены масштабов для моделирования динамических систем с диапазонами изме4 6 нения физкческих переменных 11 — 10 д) и более.

Известно устройство автоматической смены масштабов, содержащее блоки, анализирующие в цифровой форме исходные дифференциальные управления и 25 рассчитывающие максимальные значения соответствующих переменных пд приближенным формулам (2).

Недостаток этого устройства — его сложность, так как оно имеет в своем З0 составе цифровую машину, а точность вычисления масштабных коэффициентов невысокая.

Известно аналоговое вычислительное устройство для вычисления масштабного коэффициента, включающее блок, устанавливающий величину коэффициента, функциональный генератор,, формирующий логарифмическую Величину масштаб-. ного коэффициента, операционный и 40 сравнивающий усилители t3j.

Недостатки такого устройства обусловлены низкой точностью из-за нелинейного логарифмического преобразования, а также сложностью устройства.

Известны также устройства автоматической смены масштабов, реализующие метод ступенчато изменяющегося масштаба. Этот метод основан на 50 разбиении всего диапазона измерения переменной на поддиапазоны с выбором масштаба переменной на каждом поддиапазоне. При постоянстве коэффициента расширения поддиапазона, равно- 55

ro отношению максимального значения переменной на данном поддиапазоне к минимальному (в машинной интерпре09 2 тации это означает отношение максимального напряжения АВМ, где шкала

ABM - верхняя граница, и напряжения нижней границы, например 10В, т.е. для. АВМ со стовольтовой шкалой

100/ 10=10) переход иэ поддиапазона в поддиапазон сводится к переводу машинной переменной с верхней границы на нижнюю или наоборот (в зависимости от характера изменения переменной) выставки начального условия на интеграторе и изменения коэффициента передачи.

Указанные выше устройства содержат интегратор, блок фиксации границ, блок запрета ложного импульса, реверсивный счетчик импульсов, блок сопряжения (4) .

Недостаток указанных устройств малый диапазон коэффициента передачи интегратора (10 — 10 ) и низкая

4 точность выставки коэффициентов передачи интеграторов при переходе масштабируемой переменной из поддиапазона в поддиапазон.

Наиболее близким к изобретению является устройство автоматической смены масштабов для АВМ, содержащее операционный усилитель, мост, плечи которого содержат ключи, в одну из диагоналей включена емкость, а другой диагональю он подключен к входу, и выходу операционного усилителя, блок фиксации границ поддиапазона, подсоединенные к выходу операционного усилителя интегратора, блок сопряжения, подсоединенный к выходу блока фиксации границ поддиапазона, реверсивный счетчик импульсов, подсоединенный к блоку сопряжения, переключатель, подсоединенный к выходам реверсивного счетчика импульсов, два цифроуправляемых сопротивления, блок задания кода и сумматор (5).

Недостаток данного устройства заключается также в .малом диапазоне выставляемых значений коэффициента передачи интегратора (10 ), что сужа5 ет возможности. масштабирования физической переменной, изменяющейся в более широких пределах.

Цепь изобретения — расширение динамического диапазона изменения масштабов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины, содержащее первый

3 11!3 операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое соп.ротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устрой- ства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого опера- !0 ционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственнь с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации границ подциа- !5

:пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усили.теля, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу бло- 20 ка формирования границ поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного нап- 25 ряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапаэона, выходом соединенного с первым входом сумматора, 4Ф и- поддиап.

Ъ с

Резистор < б

1 1 1

0 1

1 1 0

1 1

1 1

1 1

0

"в "в в й, 4 g йл "ч "8 RiaR i "ьл "е R +R iA +Rq

10 10

10"

102

10 -2

Устройство автоматической смены масштабов (фиг. 1) содержит операционный усилитель 1, блок 2 фиксации границ поддиапазона, блок 3 сопряжения, Схема комму- R R +R ь в тации л

809 второй вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы. которых соединены с выходом реверсивного начетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго опера ционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление — между инвертирующим входом второго операцион-. ного усилителя и его выходом, соедиI ненным с другой вершиной второй диа; гонали моста.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2— процесс масштабирования произвольной функции; на фиг. 3 и 4 — блок-схемы отдельных узлов.

В таблице показаны эначенйя коэффициента передачи интегратора для различных номеров поддиапаэонов. реверсивный счетчик 4 импульсов, блок

5 задания кода, цнфроупраэляемое соп ротивление 6, ключи 7-10, переключатель 11, блок 12 формирования грани5 111380 цы поддиапазона, блок 13 задания кода, сумматор 14, операционный усилитель 15; входное цифроуправляемое сопротивление 16, цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи, интег- . 5 рируйций конденсатор 18. !

Ка чертежах приняты следующие обозначения: Е„„- максимальное напряжение линейной зоны вычислительного блока (интегратора) - шкала АВИ, 0, — опорное напряжение, Я вЂ” входная.машинная, переменная, Х вЂ” выход- . ная машинная переменная, q — промежуточная машинная переменная.

Блок 2 фиксации границ поддиапа- 15 эона (фиг. 3) содержит два компаратора 19, два разделительных диода 20 и триггер 21. Выходы компараторов 19 подсоединены к блоку З.сопряжения, а выходы триггера 21 — соответствен- 20 но на управляющие входы ключей 8 и

10, 7 и 9.

Блок 3 сопряжения (фиг. 3) содержит два многовходовых логических элемента ИЛИ 22, к входам которых под- 25 соединены выходы соответствующих эле.ментов других устройств автоматической смены масштабов, производящих автомасштабирование по переменным, функционально связанных с масштаби- зо руемой переменной

Переключатель 11 (фиг. 3) содержит . два многовходовых логических элемента ИЛИ 23, управляемый ключ ?4, например, и/с серии 590.

Блок 12 формирования границы поддиапазона содержит — разрядную резистивную матрицу К -2 R 25, логические элементы ИЛИ 26, и И 27.

Блок 13 задания кода содержит набор тумблеров 28, выходы которых подсоединены к логическим элементам

И 27, а входы их подсоединены к положительному (это зависит от типа мик- росхем, используемых в блоке 12) по- 45 люсу источника опорного напряжения.

Данный блок осуществляет задание кода, преобразуемое блоком 12 формирование гарницы поддиапазона в постоянное напряжение, соответствующее гра- > нице поддиапазона.

Цифроуправляемое сопротивление 16 и цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи содержат резисторы

29 8 4 - К, и ключи 30. Эти блоки представляют собой реэисторные секции, состоящие соответственно из резисторов Р, g — и и К„- й, каждый ре9 6 зистор кроме К„H Кз шунтирован ключом 30, который в нормальном положении замкнут. Резисторы выбираются такого номинала, чтобы обеспечить кратное порядку изменения коэффициента передачи интегратора прн переходе машинной переменной в соседний поддиапазон.

Блок 5 задания кода (фиг. 4) содержит логические элементы И3! и набор тумблеров 32. Количество тумблеров определяется разрядностью резистивной матрицы К -2К 33 цифроуправляемого сопротивления 6, например, м/с серии 301.

Ключи 7-10 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах.

Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины работает следующим образом

В зависимости от характера изменения машинная переменная АВМ может пересекать границы поддиапазона +Епк»» и -Е „, » (фиг. 2). Факт пересечения машинной переменной одной из границ служит началом процесса смены масштабов. Этот момент фиксируется блоком фиксации границ поддиапазона (фиг.1).

Пусть промежутчоная машинная переменная q возрастает (фиг. 2) и в момент С пересекает +Е . Сравнение машинной переменной с выхода операционного усилителя 1 интегратора с напряжением границы +Е „ „ происходит на компараторе 19, на выходе которого образуется импульс, проходящий через разделительный диод 20 на счетный выход триггера 21 и на вход блока 3 сопряжения (фиг. 2). Переход триггера 21 в противоположное состояние вырабатывает сигнал управления для пар ключей 7, 9 и 8, 10. Это приводит к тому, что, например, пара ключей

8, 10 закрывается, пара 7, 8 открывается. При таком переключении ключей конденсатор 18 оказывается включенным

"наоборот", т.е. вместо напряжения

+Е д„ на выходе операционного усилителя 1 интегратора оказывается напряжение -Ед, ». Поскольку масштабируемая переменная возрастает, то дальнейший процесс ее изменения происходит от

-Е „д„. Одновременно импульс с компаратора 19 поступает на вход логического элемента ИЛИ 22 блока сопряжения. По другим входам этого логического элемента поступают сигналы от других устройств автоматической смены масштабов, с которыми функционально связана масш11138 табируемая переменная. Сигналы с выхода логических элементов ИЛИ 22 поступают на вход реверсивного счетчика импульсов 4, вызывая изменение его состояния. Выходы логических элемен- 5 тов ИЛИ 22 образуют шины сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов 4, т.е. поступающая информа- ция по этим шинам производит переключения выходов реверсивного счетчика ,импульсов 4 в сторону положительных (сложение) или отрицательных {вычитание) номеров поддиапазонов (фиг. 3).

Предположим, что машинная переменная переходит в момент смены масштабов 15 из нулевого поддиапазона в первый (это соответствует прохождению им,пульса по шине сложения). При этом для масштаба переменной на нулевом поддиапаэоне заранее был рассчитан 20 коэффициент передачи, выставляемый на резистивной матрице R -?К 33 цифроуправляемого сопротивления 6 с по1аощью блока 5 задания кода (фиг. 4).

Эта операция осуществляется с по- 25 мощью комбинации включения тумблер»в

32 и подачи напряжения + 11вп на входы соответствующих логических элементов

И 31, по другим входам которых это напряжение присутствует постоянно. gp

Для-резистивной матрицы R -".R 33; содержащей 10 разрядов, значение коэффициента передачи К„ (при коэффициенте передачи интегратора Кк равном 1, что соответствует нулевому под-З5 дипазону), может быть выставлено в диапазоне значений от 0,001 до 1.

Таким образом, общий коэффициент передачи интегратора определяется, как

К и = К + . K>. Изменение К „может быть 4О осуществлено в процессе решения изменением K что связано с переходом масштабируемой из поддиапазона в поддиапазон и соответствующим изменением масштаба этой переменной на по- 45 рядок.

Переход переменной в первый поддиапазон и связанное с этим появление импульса по шине сложения на выходе реверсивного счетчика импульсов 4 приводит к изменению состояния его выходов. На выходе, соответствующем первому поддиапазону, появляется сигнал, который приводит к срабатыванию ключа 30 и расшунтировке резистора Ц, (см. таблицу — схему коммутации, в таблице принято: 1 — нормальное замкнутое положение ключей

09 8

30; 0 — рабочее разомкнутое положение ключей). При расшунтировке R, изменяется коэффициент передачи интегратора с 1 на 10, при выбранньи, например, значениях номиналов резисторов:„

R,= 0,01М, R, - 0,09М,R,=0,9ИР,-9Н. .В1,= 0,01М. Аналогично будут происходить подключения других резисторов управляемых сопротивлений 17 и 16 обратной связи и соответствующее этим подключениям изменения коэффициента

К» в зависимости от номера поддиапазона.

Выходы положительных поддиапазонов реверсивного счетчнка импульсов 4 подсоединены к логическому элементу

ИЛИ 23,, а отрицательных — к элементу

ИЛИ 23 . Выходы этих элементов под соединены к управляемому ключу 24.

Выход нулевого поддиапазона не подключен к логическим элементам HJIH 23.

Это означает, что при прохождении масштабируемой переменной в нулевом поддиапазоне на вход управляемого ключа 24 сигнала переключения не поступает. Как только масштабируемая переменная переходит в другой поддиапазон, например в первый, что соответствует появлению сигнала на выходе реверсивного счетчика 4 импульсов, на выходе логического элемента

ИЛИ 23 появляется сигнал, приводящий к срабатыванию управляемого ключа .24.

При срабатывании управляемого ключа

24 производится коммутация одного из полюсов источника опорного напряжения (1 „ . В частности, если масштабируемая переменная положительная, то коммутируется - U „ H наоборот. Смена знака полярности 0 „ происходит только при переходе масштабируемой переменной через нулевой поддиапазон. С выхода управляемого ключа 24 напряжение поступает на вход резистивной матрицы R -2R 25 блока 12 формирования границы поддиапазона. К каждому разряду этой матрицы подсоединены выходы логических элементов И 27. На один иэ входов этих логических элементов подсоединены соответственно выходы тумблеров 28 блока 13 задания кода. Код числа, определяющего значение границы поддиапазона, задается включением соответствующих тумблеров

28, с помощью которых на входы логических элементов И 27 подается поло- жительное напряжение Ор . К другим

lll3809

10 входам логических элементов И 27 подсоединен выход логического элемента

ИЛИ 2б блока 12 формирования границы поддиапазона. Появление сигнала на любом из входов логического элемента

ИЛИ 26 приводит к появлению сигнала на входах логических элемент6в И 27, что обеспечивает передачу кода числа, выставленного на тумблерах 28 для под-. ключения соответствуюпих разрядов ре 30 зистивной матрицы 25. Поскольку вхо-. ды логического элемента ИЛИ 26 подсоединены к выходам логических элементов ИЛИ 22, на выходах которых образуется. сигнал при нахождении мас штабируемой переменной в одном из поддиапазонов, кроме нулевого, то в резистивной матрице К -2 К 25 разряды, определяемые выставленным кодом, будут соответственно включены для всех поддиапазонов, за исключением нулевого. Подача напряжения на вход этой матрицы приводит к образованию напряжения границы, подаваемого на сумматор l 4, по другому Входу которого поступает напряжение с выхода операционного усилителя интегратора.

В результате сложения двух напряжений образуется-масштабированная,машин ная переменная X изменяющаяся в

Ю выставленных границах.

Таким образом, в предлагаемом устройстве расширяется динамический диапазон интегратора за счет введения в обратную связь операционного усилителя с управляемыми сопротивлениями в обратной связи и на входе. При таком схемном решении и значениях резисторов, приведенных в качестве примера, динамический диапазон интегратора на два порядка больше чем у прототипа.

Кроме того, при учете динамического диапазона цифроуправляемого сопротивления, равного 10, общий динамический диапазон интегратора будет

10,. что позволяет моделировать широкий класс динамических объектов.

11 I 3809

1113809

ВНИИПИ - Заказ 66?1/41

Тираж 698 Подписное

Филиаа ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4