Устройство для исследования электрических цепей

 

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для моделирования электрических цепей. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности определения токов и напряжений в узлах и полупроводниковых приборах э.|1ектрической цепи в заданные моменты времени. Устройство содержит цифровой вьтчислительной блок 1, регистры 2 памяти, регистр 3 адреса исследуемого полупроводникового прибора, дешифратор 4 адреса исследуемого полупроводникового прибора, аналоговый .коммут атор 5, цифроаналоговые преобразователи 6, измерительные блоки 7, аналого-цифровые преобразователи 9, цифровой коммутатор 10, дешифратор 1I адреса регистров памяти, а также исследуемые полупроводниковые приборы 8. 4 ил. f i (Л с: 00 со to со 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ БЛИН (5g 4 С 06 3 1/00

OllH0AHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3956056/24-24 (22) 01.07.85 (46) 23.08.87. Бюл. В 31 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (72) В.В.Денисенко Н,И.Мережин и В.П,Попов (53) 681.3(088,8) (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для моделирования электрических цепей. . Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возмож-.

„„SU„„1 332340 А1 ности определения токов и напряжений в узлах и полупроводниковых приборах э, ектрической цепи в заданные моменты времени. Устройство содержит цифровой вычислительной блок 1, регистры 2 памяти, регистр 3 адреса исследуемого полупроводникового прибора, дешифратор 4 адреса исследуемого полупроводникового прибора, аналоговый .коммутатор 5, цифроаналоговые преобразователи 6, измеритель*ые блоки 7, аналого-цифровые преобразователи 9, цифровой коммутатор 10, дешифратор

11 адреса регистров памяти, а также исследуемые полупроводниковые приборы 8. 4 ил.

1332340

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для исследования электрических цепей.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет обеспечения воэможности определения токов и напряжений в узлах и элементах цепи в заданные моменты времени.

На фиг.l показана структурная 10 схема устройства," на фиг.2 — функцио- ° нальная схема измерительного блока; на фиг.3 — алгоритм вычислений; на фиг.4 — схема цифрового вычислительного блока. l5

Устройство включает цифровой вычислительный блок l, регистры 2 памяти, регистр 3 ацреса исследуемого полупроводникового прибора, дешифратор 4 адреса исследуемого полупровод- 20 никавого прибора, аналоговый коммутатор 5, цифроаналоговые преобразователи 6, измерительные блоки 7, исследуемые полупроводниковые приборы 8, аналого-цифровые преобразователи 9, цифровой коммутатор 10, дешифратор адреса регистров 11 памяти, Шина питания операпионного усилителя 12 с гальванически развязанным питанием соединена с его неинвертирующим входом и с одним входом дифференциального усилителя 13 и является входом измерительного блока 7, другой вход дифференциального усилителя

13 соединен с одним выводом измерительного резистора 14 и с выходом операционного усилителя 12 с гальванически развязанным питанием, инвертирующий вход которого соединен с другим выводомизмерительного резистора 14и является первым выходом измерительного блока 7, вторым выходом которого является выход дифференциального усилителя 13, 45

В-устройстве цифровой вычислительный блок 1 представляет собой универсальную цифровую вычислительную машину, конкретная техническая реализация которой мажет быть выполнена, например,за счет использования стандартной 3ВМ, например .типа "Электроника

ДЗ-28

На фиг,4 показана структуная схема цифрового вычислительного блока 1, 55 выпблненного с использованием больших интегральных схем (БИС) микронроцессорной серии КР580 и других стандарт— ных блоков„ Он содержит блок 15 интерфейса, постоянное, запоминающее устройство 16 оперативное запоминающее устройство 17 блок 18 управления, буфер 19 данных, центральный процессор 20, генератор 21 тактовых импульсов, буфер 22 адреса, Программа, реализующая алгоритм, блок-схема которого показана на фиг.3 и представляющая собой последовательность цифровых кодов, записана в оперативном запоминающем устройстве 17. Эти коды последовательно во времени вызываются в центральный процессорный элемент 20, Для этого на адресной шине центрального про- цессорного элемента 20 формируется цифровой код, соответствующий адресу считываемой команды, который через буфер шины адреса 22 по адресной шине поступает на адресный вход оперативного запоминающего устройства 17, на управляющий вход которого поступает сигнал "Чтение" по линии чтения из запоминающего устройства, формируемого в блоке 18 управления с помощью центрального процессорного элемента 20, Цифровой кад, соответствующий команде программы, поступает на шину данных и через буфер шины данных передается в центральный процессорный элемент 20, при этом на управляющий вход буфера 19 шины данных из блока

i8 поступает управляющий сигнал, соответствующий приему информации в центральный процессорный элемент ?0.

В процессе выполнения команд программы необходимо вызывать численную информацию, хранящуюся в оперативном запоминающем устройстве 17, при этом алгоритм вызова числа аналогичен вызову команды программы, Результаты вычислений записываются в оперативное запоминающее устройство 17. При этом с помощью центрального процессорного элемента 20 формируется цифраьай кад, соответствующий адресу ячейки памяти, куда помещается результат. Этот кад через буфер 22 адреса по адресной шине поступает на адресный вход оперативного запоминающего устройства. 17, на управляющий вход которого поступает сигнал "3aлись" по линии записи в запоминающее устройство, который формируется блоком 18 с помощью центрального процессорного элемента 20. При этом на управляющий вход буфера 19 данных из

1332340

3 к

I"„ блока 18 поступает управляющий сигнал, соответствующий выводу информации из центрального процессорного элемента 20 °

В постоянном запоминающем устройстве 16 содержатся цифровые коды,соответствующие некоторым константам и стандартным программным процедурам.

Обращение к постоянному запоминающе- 10 му устройству 16 осуществляется аналогично обращению к оперативному запоминающему устройству 17 в режиме чтения информации. Генератор 21 тактовых импульсов служит для запуска и 15 синхронизации элементов цифрового вычислительного блока 1.

При выполнении блоков 8 и 11 блоксхемы алгоритма, приведенного на фиг.3, производится вывод цифровых кодов в регистры 2 и в регистр 3. Вывод этих кодов осуществляется с помощью блока 15 интерфейса аналогично записи информации в оперативное запоминающее устройство 17 с той только разницей, что на управляющий вход блока интерфейса поступает сигнал

"Вывод" с линии записи во внешнее устройство, а на адресный вход блока З0 параллельного интерфейса поступает цифровой код, соответствующий номеру группы выводов блока параллельного интерфейса, работающих в режиме вывода информации. При выполнении блока 13 блок-схемы алгоритма произво35 дится ввод численной информации с выхода цифрового коммутатора 10 с помощью блока параллельного интерфейса аналогично чтению информации из оперативного запоминающего устройства с той только разницей, что на управляющий вход блока параллельного интерфейса поступает сигнал "Ввод" с линии чтения из внешнего устройства, а на адресный вход блока параллельного интерфейса поступает цифровой код, соответствующий номеру группы выводов блока параллельного интерфейса, работающих в режиме ввода информации, При вводе-выводе информации часть адресной шины используется как адресный выход цифрового вычислительного блока 1.

Моделируемые с помощью устройства электронные цепи, в частности ИС, состоят из линейных элементов таких, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и полупроводниковых приборов, например таких, как диоды, биполярные и полевые транзисторы, аналоговые и цифровые микросхемы. В качестве примера рассмотрим электронную цепь, содержащую линейные элементы и биполярные транзисторы разного типа в качестве полупроводниковых приборов. При моделировании таких цепей, т,е. вычислении токов и напряжений в узлах и элементах цепи в заданные моменты времени, с помощью устройства необходимо выделить иэ схемы исследуемой электронной цепи все биполярные транзисторы, заменив их в оставшейся части схемы независимыми источниками тока базы I< и тока коллектора I„ (Ig, I„ — векторы), включенными между базой и эмиттером, коллектором и эмиттером соответственно, тогда оставшаяся часть схемы будет линейной и ее можно описать системой линейных дифференциальных уравнений

Х = АХ + BI + СЕ (1)

14 где Х

I„ вектор напряжения на конденсаторах и токов через катушки индуктивностей в момент времени t = t„; вектор токов независимых источников тока базы и тока коллектора биполярных транзисторов в момент времени t

Э

Е = к — вектор токов и напряПс жений задающих неэависимых источников тока и напряжения в момент времени t

А, В, С вЂ” матрицы постоянных коэффициентов °

Решение системы линейных дифференциальных уравнений на каждом временном шаге может быть осуществлено любым численным методом, например методом Эйлера

Х = Х +hX (2) где Ь=г.„„— t < — шаг по времени.

Тогда вектор напряжений между баk-e t зой и эмиттером U и между коллекЕэ

К+! тором и эмиттером U„, -всех биполярных транзисторов в момент времени

1332340 определяется системой линейных алгебраических уравнений к«-«

Бъ к«.«

+ ПК"",(3) И«. «

= Н где Н, D — матрицы постоянных коэффициентов.

Уравнения (1) — (3) вычисляются с помощью цифрового вычислительного блока для заданного вектора токов I в момент времени t = 1к..Цифровым вычислительным блоком может быть любая универсальная цифровая вычислительная машина, например "Электроника

ДЗ-28", Далее пары цифровых кодов, соответствующие вектору напряжения к «

U, для каждого биполярного транзистора выводятся в регистры памяти, а адрес биполярного транзистора определенного типа выводится в регистр адреса полупроводникового прибора, с выхода которого цифровой код посту25 пает на вход дешифратора адреса полупроводникового прибора (биполярного транзистора определенного типа).

С выхода регистров памяти цифровые коды поступают на входы цифроаналого- З0 вых преобразователей, с выхода которых пропорциональные кодам напряжеКФ« ния U через измерительные блоки поступают на входы аналогового ком35 мутатора и далее на электроды биполярного транзистора определенного типа, подключение которого осуществляется с помощью аналогового коммутатора, на управляющие входы которого поступает сигнал с выхода дешифратора адреса полупроводникового прибора °

После того, как на электроды биполярного транзистора определенного типа поступило напряжение, через элект- 45 роды начинает протекать ток, соответствующий приложенным напряжениям для момента времени t = 1.„«, (4) 50

Этот ток вызывает появление пропорционального ему напряжения на вторых выходах измерительных блоков, которые подключены к входам аналого-! цифровых преобразователей, на вьгходах которых появляется цифровой код, к4! к«« соответствующий токам I < и I„ который через цифровой коммутатор поступает на вход цифрового вычислительного блока, при этом адресный вход цифрового коммутатора соединен с адресным выходом цифрового вычислительного блока. Вывод напряжений

К+ « k«.« kw«

Н и Uk и измерение токов I и

Хб«

I осуществляется для каждого транзистора моделируемой электронной цепи, после чего получается новый векK+« тор токов Т для момента времени

= t . Далее процесс вычислений по формулам {1) — (4) продолжается для всего заданного интервала времени. Таким образом, для моделирования цепей, содержащих только биполярные транзисторы и линейные элементы, устройство содержит два внешних регистра, два цифроаналоговых преобразователя и два аналого-цифровых преобразователя, кроме того, если в моделируемой цепи все транзисторы одного типа, то устройство содержит один биполярный транзистор (полупроводниковый прибор данного типа).

Для электронных цепей, содержащих различные полупроводниковые приборы с произвольным количеством выводов, формулы (!) - (3), вычисляемые в цифровом вычислительном блоке, имеют к тот же вид, только вектор токов I имеет большую размерность. Аналогично система уравнений (4) имеет различную размерность для каждого типа полупроводниковых приборов, Блок-схема алгоритма работы цифрового вычислительного блока показана на фиг,3 и состоит из следующих элементов.

Блок 1, Запись в оперативную память цифрового вычислительного блока

1 начальных условий в момент времеHH tK = tOo

Блок 2. Перезапись переменных для организации циклического вычислительного процесса с целью нахождения решения на интервале времени t = t — Т с заданным шагом h.

Блок 3. Вычисление значений производных напряжений на конденсаторах и токов через катушки индуктивностей н момент времени t

Блок 4. Вычисление значений,напряжений на конденсаторах и токов через катушки индуктивностей в момент времени г = tÄÄ« .

1332340

Блок 5. Вычисление значений напряжений на выводах всех полупроводнико1 ых приборов в момент времени t = t

И1

Блок 6. Органиэация начала цикла вычисления токов через выводы каждого полупроводникового прибора в момент времени t = и „ .

Блок 7. Задание адреса первого регистра 2 памяти. к,1

Блок 8. Вывод цифрового кода U; соответствующего напряжению на j-м выводе i-го полупроводникового прибора, который поступает на входы регистров 2 с информационного выхода цифрового вычислительного блока 1.

Одновременно с этим производится вывод адреса. ) одного из внешних регистров 2, который поступает на вход дешифратора адреса регистра ll с ад- 20 ресного выхода цифрового вычислительного блока I.

Блок 9. Задание адреса следующего регистра 2 памяти.

Блок 10, Проверка условия пересчета всех выводов полупроводникового прибора 8.

Блок 11. Вывод цифрового кода, соответствующего адресу полупроводникового прибора 8 такого типа, который З0 совпадает с типом i-ro полупроводникового прибора в моделируемой полупроводниковой цепи. Этот цифровой код поступает на вход регистра 3 адреса полупроводникового прибора с выхода цифрового вычислительного блока 1. Одновременно с этим проводится вывод адреса регистра 3 адреса полупроводникового прибора, который поступает на нход дешифратора адреса 40 регистра ll с адресного выхода цифрового вычислительного блока l.

Блок 12. Органиэация начала ввода цифровых кодов, соответствующих тои кам I,, протекающим через каждый вывод полупроводникового прибора 8 заданного типа при приложенном напряк+ женин U;

Блок 13. Ввод в оперативную память 0 цифрового вычислительного блока 1 коk+1 да, соответствующего току I;, про.текающему через j-й вывод полупроводникового прибора 8 заданного типа при пРиложенном напряжении U; . Одновре- 5<

k+i менно с этим производится вывод цифро". ного кода, соответствующего номеру информационного входа цифрового коммутатора 10, поступающего на его управляющий вход с адресного выхода цифрового вычислительного блока 1.

Блок 14, Задание номера следующего информационного входа цифрового коммутатора 10, соответствующего следующему выводу полупроводникового прибора 8.

Блок 15. Проверка условия пересчета всех выводов полупроводникового прибора.

Блок 16. Органиэация счетчика полупроводниковых приборов моделируемой цепи.

Блок 17, Проверка условия пересчета всех полупроводниконых приборов моделируемой цепи.

Блок 18. Организация цикла по времени.

Блок 19. Окончания цикла по времени.

Устройство работает следующим образом, Цифровой вычислительный блок 1 формирует в соответствии с алгоритмом вектор напряжений, представленный в ниде цифровых кодов, для всех полупроводниковых приборов, входящих в состав моделируемой цепи, для момента времени t и . Цифровые коды, соответствующие напряжениям на ныводах полупроводникового прибора определенного типа, через информационный выход цифрового вычислительного блока 1 последовательно во нремени поступают на информационные входы регистров 2, одновременно с этим на вход дешифра" тора адреса регистра ll с адресного выхода цифрового вычислительного блока 1 поступают коды, соответствующие адресам регистров 2 ° в которые необходимо поместить цифровые коды, соответствующие напряжениям на каждом выводе полупроводникового прибора 8 определенного типа. Запись информа-. ции в регистры 2 осуществляется только при наличии сигнала на их управляющих входах, которые приходят с соответствующих выходов дешифратора адреса регистра 11, Затем в регистр адреса полупроводникового прибора 3 аналогично записывается цифровой код, соответствующий адресу полупроводникового прибора 8 определенного типа.

С выходов регистров 2 цифровые коды, соответствующие напряжениям на выводах полупройодникового прибора 8 поступают на входы цифроаналоговых преобразователей 6, а цифровой код, со1332340 ответствующий адресу полупроводникового прибора 3 поступает на вход дешифратора адреса полупроводникового прибора 4, с выхода которого сигнал

5 управления поступает на управляющие входы аналогового коммутатора 5. Цифроаналоговые преобразователи 6 преобразуют цифровые коды в соответству- ющие им напряжения и подают их на 1д первые выводы аналогового коммутатора 5 через измерительные блоки 7.

Напряжение на первом выходе измерительного блока 7 равно напряжению на его входе, так как дифференциальное напряжение операционного усилителя с гальванически развязанным питанием

12 близко к нулю. Аналоговый коммутатор 5 в соответствии с сигналом управления подключает свои первые выво- Zp ды к выводам полупроводникового прибора 8 определенного типа, адрес ко.орого был задан цифровым кодом, После этого через выводы полупроводникового прибора 8 определенного типа на- 5 пинает протекать ток, определяемый как функция приложенных напряжений

Гоки, протекающие через выводы полупроводникового прибора 8,.протекают 30 также с входов на первые выходы измерительных блоков 7. через измерительные регистры 14 и тем самым вызывают появление напряжений на выходах операционных усилителей с гальванически развязанным питанием 12, пропорциональных токам, протекающим через измерительные резисторы 14. Дифференциальные усилители 13 определяют разности напряжений между выходами операционных усилителей с гальванически развязанными питанием 12 и их общими шинами и подают их на входы аналогоцифровых преобразователей 9. Поступившие на входы аналогоцифровых преобразователей 9 напряжения, пропорциональные токам. протекающим через выводы полупроводникового прибора 8, преобразуются в цифровые коды и поступают на входы цифрового коммутатора 10, на адресные входы которого поступают коды с адресного выхода цифрового вычислительного блока 1, в соответствии с которыми на вход циф— рового вычислительного блока 1 после- 5 довательно во времени поступают цифровые коды с выходов аналого-цифровых преобразователей 9. Таким образом происходит определение токов для всех полупроводниковых приборов 8 разного типа„ находящихся в различных местах моделируемой цепи для момента времени t„. После этого с помощью цифрового вычислительного блока 1 производится вычисление вектора напряжений для момента времени t + h по формулам (1) — (3). Далее повторяется цикл определения токов для всех полупроводниковых приборов 8 для нового момента времени. Моделирование электронной цепи, т.е. вычисление токов и напряжений в узлах и элементах цепи, продолжается для всего заданного отрезка времени.

Предлагаемое устройство позволяет производить как логическое, так и электрическое моделирование электронных пепей с применением полупроводниковых приборов, так как логическое моделирование является упрощением электрического моделирования. При этом в кач:.:стне полупроводниковых приборов используются цифровые микросхемы такого же типа, что и в моделируемой электронной цепи.

Таким образом, введенные в устройство блоки и связи обеспечивают возможность электрического и временного моделирования электронных цепей наряду с логическим моделированием,.

Формула изобретения

Устройство для исследования электрических цепей, содержащее цифровой вычислительный блок, дешифратор адреса исследуемого полупроводникового прибора, цифровой коммутатор, выход которого соединен с информационным входом цифрового вычислительного блока аналоговый коммутатор, выходы которого являются входами подключения исследуемых полупроводниковых приборов, о т л и ч а þ ù е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения определения токов и напряжений в узлах и полупроводниковых приборах электрической цепи в заданные моменты времени, оно дополнительно содержит регистры памяти, регистр адреса исследуемого полупроводникового прибора, дешифратор адреса регистров памяти, цифроаналоговые преобразователи, аналого-цифровые преобразователи и измерительные блоки, каждый измери!

32340

1! 13 тельный блок содержит измерительный резистор, дифференциальный усилитель и операционный усилитель с гальванически развязанными питанием, шина питания которого соединена с его неинвертирующим входом и с первым входом дифференциального усилителя, второй вход дифференциального усилителя соединен с одним выводом измерительного резистора и с выходом операционного усилителя с гальванически развязанным питанием, инвертирунлций вход которого соединен с другим выводом измерительного резистора, информационные входы регистра адреса исследуемого полупроводникового прибора и регистров памяти соединены соответственно с информационными выходами цифрового вычислительного блока, адресный выход которого соединен с входом дешифратора адреса регистров памяти и с адресным входом цифрового коммутатора, выходы дешифратора адреса регистров памяти соединены соответственно с входами разрешения записи регистров памяти и регистра адреса исследуемого полупроводникового прибора, разрядные выходы которого соединены соответственно с входами

5 дешифратора адреса исследуемого полупроводникового прибора, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам аналогового коммутатора, разрядные выходы каждого

ip регистра памяти подключены к входам соответствующего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя соответствующего нэмерн15 тельного блока, инвертирующий вход операционного усилителя с гальванически развязанным питанием которого подключен к соответствующему информационному входу аналогового коммутато20 ра, выход дифференциального усилителя измерительного блока подключен к информационному входу соответствующего аналого — цифрового преобразовате— ля, выходы которых соединены соответственно с информационны—

:ми входами цифрового коммутатора.

1332340

Составитель В,Фукалов

Техред В.Кадар Корректор М. Демчик

Редактор С.Патрушева

Заказ 3835/46

Тираж 6 2 Подписное

ВНИИПИ Государственнога комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, W-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4