Цифроаналоговая вычислительная система

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для моделирования динамических систем. Цель изобретения - повышение надежности устройства. Цифроаналоговая вычислительная система содержит устройство цифровой обработки и вычислений, блок сопряжения, устройство аналоговой обработки и вычислений, в состав которого входит блок моделирования объекта, блок эталонных напряжений, блок сравнения напряжений, блок усреднения напряжений. В системе осуществляется автоматическая поверка всех метрологически нормируемых блоков. 12 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Вс -"06384Я

Г.1 .. -;т, ° . !» . C >f>trig I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕНКЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4210933/24-24 ,(22) 18.03.87 (46) 30.05.89. Бюл. Р 20 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д. Калмыкова (72) В.И. Строцкий (53) 681,325(088.8) (56) Патент США У 3761689, кл. G 06 J 1/00, опублик, 1973.

Авторское свидетельство СССР

У 1259300, кл. G 06 J 1/00, 1986. (54) ЦИФРОАНАЛОГОВАЯ В14ЧИСЛИТЕЛЬНАЯ

СИСТЕМА (57) Изобретение относится к вычисгп »

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для моделирования динамических систем.

Целью изобретения является повышение надежности системы.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы; на фиг. 2 и 3схема блока 17 эталонных напряжений; на фиг. 4 — схема блока 18 сравнения напряжений; на фиг. 5 — схема блока

19 усреднения напряжений; на фиг.6выходная характеристика источника

20 эталонного напряжения; на фиг ° 7блок-схема алгоритма автономной поверки блока 17 эталонных напряжений; на фиг. 8 — мостовая схема для поверки соотношения плеч резистивного делителя 38; на фиг. 9 — поверочная

I :схема блока аналого-цифровых преобразователей 5; на фиг. 10 — поверочÄÄSUÄÄ 1483468 А1 (51) 4 С 06 J 1/00, Г 06 С 7/00

2 тельной технике и может быть использовано для моделирования динамических систем. Цель изобретения — повышение надежности устройства. Цифроаналоговая вычислительная система содержит устройство цифровой обработки и вычислений, блок сопряжения, устройство аналоговой обработки и вычисле, ний, в состав которого входит блок моделирования объекта, блок эталонных напряжений, блок сравнения напряжений, блок усреднения напряжений.

В системе осуществляется автоматическая поверка всех метрологически нормируемых блоков. 12 ил.

С: ная схема блока 6 цифроаналоговых преобразователей; на фиг. 11 — пове- 2 рочная схема блока 15 сумматоров; на фиг. 12 — поверочная схема блока р

2 масштабирования или блока 3 нелинейных операционных схем нли блока 4 интеграторов.

Система содержит блоки начальной установки и пуска 1, масштабирования 2, нелинейных операционных схем 3, © интеграторов 4, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 5, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 6, ана.логовыи коммутатор 7, приборную ма гистраль 8, устройство 9 аналоговой 3 обработки и вычислений, блок 10 со- а. пряжения, контроллер 11 прямого доступа, контроллер 12 передачи данных, контроллер 13 прерываний, ЦВИ 14, блоки сумматоров 15, компараторов 16, ;эталонных напряжений 17, сравнения з 1 483468 напряжений 18, усреднения напряжений

19, причем блоки 1-8» 16 объединены понятием блок моделирования объекта и вместе с блоками 17-19 составляют

5 устройство 9 аналоговой обработки и вьгчислений, а блоки 11-14 объединены понятием устройство цифровой обработки и вычислений.

Блок 17 эталонных напряжений содержит положительный и отрицательный источники 20 опорных напряжений, содержащие и-входовой элемент ИЛИ-НЕ 21 и п источников 22 эталонного напряжения, содержащих параметрический 15 источник 23 напряжения, резистивный делитель 24 связи, мостовой выпрямитель 25, дифференциальный усилитель

26, ограничивающий резистор 27, пороговый элемент 28 и эмиттерный повто- 20: ритель 29, первый 30 и второй 31 переключатели на два положения и два направления, первый 32 и второй 33 делители напряжения, переключатель 34 на пять положений, переключатель 35 25 на два положения, инвертирующий повторитель 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода, аналоговый мультиплексор 37 на 2Р положений,. последовательный резистивний делитель 30

38, первый 39 и второй 40 аналоговые мультиплексоры на Р положений, мультиплексор. 41, регистр 42 состояния, постоянное запоминающее устройство 43, стартстопный генератор 44, одновибра- 35 тор 45, счетчик 46, элемент 1-3-ИЛИ-2И

47, первый 48 и второй 49 RS-триггеры, элемент НЕЭКВИВАЛЕНТНО 50. Блок

18 сравнения напряжений содержит дифференциальный усилитель 51 с кодоуправляемым коэффициентом передачи, эмиттерный повторитель 52 с кодоуправляемым уровнем ограничения тока выхода, дифференциальный усилитель

53, резистор 54, элемент 55 выделе ния модуля сигнала, пороговый элемент 56, RS-триггер 57, регистр 58 состояния, Блок 19 усреднения напряжений содержит регистр 59 состояния, модуль усилителей формирователей 60, m клю.чевых устройств 61 с ограничением коммутируемого тока, дифференциаль ный сумматор 62, источник 63 напряжения смещения. 55

Система работает следующим обрааом. !

В рабочем режиме аналого-цифровая задача может решаться как с программно управляемой процедурой формирования моделей и установки начальных условий со стороны устройства цифровой обработки и вычислений, так и, с выполнением указанной процедуры через блок 1 начальной установки и пуска. Формирование схемы решения в устройстве 9 аналоговой обработки и вычислений осуществляется посредством аналогового коммутатора,7, который позволяет осуществлять коммутацию любого из его входов на любой из его вьиодов как одиночными цепями, так и группами цепей. Состояние аналогового коммутатора 7 определяется содержанием его программно доступных регистров..Ввод начальных условий, а также пуск решения и вьпзод данных из решающих блоков устройства

9 аналоговой обработки и вычислений происходит через блоки аналого-umbровьи 5 и цифроаналоговых 6 преобразователей. Кроме того, блоки мааштабирования 2, нелинейных операционных схем 3 и интеграторов 4 имеют непосредственное цифровое управление.

Входы и выходы блока 15 сумматоров определены состоянием цепей аналогового коммутатора 7. Блок 16 компараторов предназначен для вызова прерывания через контроллер 13 прерывания в случае превьппения сигнала в ! выбранных точках схемы решения заданного уровня (например, превьппение

)диапазона изменения сигнала). Все блоки устройства 9 аналоговой обработки и вычислений программируемы и программно доступны через системную приборную магистраль 8 (например, типа шина крейта КАМАК) . Связь с ЦВМ 14 осуществляется через блок 10 сопряжения связи, который может с помощью контроллеров 11 прямого доступа в память и контроллера 12 передачи данньи осуществлять два типа обмена — процессорный и прямого доступа в память.

Процесс решения гибридной задачи осуществляется обычным образом с синхронизацией от таймера ЦВМ-14 и может осуществляться полностью автоматически, начиная с этапа набора схемы решения аналоговой части, отладки, масштабирования, непосредственно решения и вывода результатов решения полностью. автоматически по заложенной в ЦВМ программе. В случае необходимости возможно вмешательство опе83468

6 нения напряжения.

Назначением этих блоков является создание на базе принципов автономной поверки, имитационного моделирования, рандомизации поверочного эксперимента инструментальйой базы поверочной схемы без привлечения сложных, дорогостоящих и медленно рабо тяницих поверочных установок.

В задачу блока 7 эталонных напряжений входит преобразование простой эталонной величины (в данном случае напряжения) в систему шкал, носящих характер реперных отметок. При этом должно выйолняться два условия: стабильность хранения эталонной величины должна быть контролируема, а йроцедура преобразования должна достоверно проверяться средствами самой системы (принцип автономности); система реперных отметок .. должна находиться. в соответствии с моделью функционирования поверяемых устройств

5 14 ратора через блок 1 начальной установки и пуска 1.

Одним из возможных контрольных режимов цифроаналоговой вычислительной системы является режим поверки метрологических характеристик решающих и преобразовательных блоков.

Для осуществления этого режима в состав цифроаналоговой вычислительной. системы введены программно доступные блок 17 эталонных напряжений, блок 18 сравнения напряжений и блок 19 усред (принцип имитационного моделирования) что должно обоснованно определить число поверяемых точек рабочих шкал приборов и законность имитационного. моделирования величины погрешности в промежуточных точках.

В задачу блока 18 сравнений напряжений входит выполнение функции чувствительного элемента поверочной схемы. При этом поскольку поверочные схемы строятся по дифференциальному принципу, то требования к метрологическим характеристикам чувствительного элемента ослабляются, так как погрешность порога срабатывания при подаче на вход усиленной разности ! величин становится величиной второго порядка малости.

В задачу блока 19 усреднения напряжений входит рандомизяция измерительного эксперимента, которая основывается на том факте, что в состав устройства аналоговой обработки и вычислений входит достаточно много решающих и преобразующих блоков, систематические погрешности которых имеют слабую корреляцию. Это позволяет методом усреднения перевести систематические погрешности в разряд случайных и таким образом в значительной мере избавиться от них.

Прежде чем перейти к процессу опи(сания поверки устройств цифроаналоговой вычислительной системы в составе устройства, необходимо рассмотреть работу блока 17 эталонных напряжений, блока 18 сравнения напряжений, блока

19 усреднения напряжений.

Основными элементами блока 17 эталонных напряжений являются положительный и отрицательный источники

20,-20 опорных напряжений. В задачу этих элементов входит сохранение

f эталонной меры в межповерочный период с наперед заданной достоверностью.

Кроме того, блок позволяет выявлять

2 состояние угрозы стабильности метрологических параметров и своевременно производить поверку и отладку. В качестве первичных источников напряжения блока эталонных напряжений с самоgp контролем используется параметрический источник 23. Использование твердотельных элементов значительно улучшает эксплуатационные характеристики устройства, но температурные и временные дрейфы этих элементов еще значительно превьппают аналогичные параметры химических нормальных элементов, которые используются в настоящее время. в качестве рабочих эталонов напряжения. В целях улучшения этих параметров в источниках 20, и 20, опорных напряжений применено усреднение и выходных напряжений источников 22 эталонного напряжения, входя45 щих в состав каждого источника 20 опорных напряжений, Известно, что, например, для нормального закона распределения погрешности любого временного среза ансамбля реализаций няпряжений Выходя каждого Hs и источ» ников эталонного напряжений дисперсия уменьшается в 4п раз. Объединение выходов девяти источников 22 эталонного напряжения позволяет сформировать опорное напряжение с харак" теристнками, достаточными для поверки устройств на аналогичной элементной базе. Для этого, чтобы было воз можным объединение выходов источни1483468

10 — напряжение на выходе источника 22 эталонного напряжения; — напряжение на среднем выводе параметрического источника 23 напряжения; — коэффициент усиления ра25 зомкнутого дифференциального усилителя 26;

- коэффициент деления резистивного делителя 24 обратной связи; 30 — .ток нагрузки источника 22 эталонного напряжения;

- сопротивление резистора защиты в цепи эмиттерного повторителя 29 с защитой по току перегрузки; — статический коэффициент усиления транзистора эмиттерного повторителя 29; — сопротивление ограничива- 40 ющего резистора 27; падение напряжения на участке эмиттер - база транзистора эмиттерного повторителя с защитой по 45 току перегрузки, которое при номинальных рабочих токах упрощенно можно считать постоянным.

Е (4) .50 (5) 55 6 где R — омическое сопротивление области базы выходного тран. зистора эмиттерного повторителя с защитой по току перегрузки (2) ков 22 эталонного напряжения, они выполнены по схеме с ограничением тока выхода.

На фиг. 6 обозначено:+I „< — ток ограничения источника 22 эталонного напряжения; + а — статизм системы слежения.

Действительно, для источника 22 эталонного напряжения при идеальном дифференциальном усилителе 26 для напряжения на выходе справедливо выражение:

Кгб . + Хн

Поп К

«1г4 2Б Ф ßÑ

"(Вз + Rã )

1 Бэбгэ

1 г 1 гя 26

Иэ .фиг. 6 и выражения (1) можно записать: - — (Ю, 1n(— ) +

1 Хн

Ч,„К„ о

+ 1н®о + Rг1)1

1 го- где у,— температурными потенциал от<25 )ý

Io — тепловой ток р-и перехода.

Следовательно, ограничивая величину выражения в квадратных скобках равенства (2) на уровне -" 1В при

q, = 1 и К г 10, получаем величину 4 4 100 мкВ, При (I„R ) ъ 0,4В начинает срабатывать защита эмиттерного повторителя с защитой по току перегрузки. Так как при этом через ограничивающий резистор 27 начинает протекать часть тока нагрузки, то напряжение на нем должно расти, что и происходит до окончания линейной эоны дифференциального усилителя 26.

После входа дифференциального усипителя 26 в режим насыщения наступает резкое ограничение тока выхода, которое при обычном соотношении R ., Во можно определить по приближенной формуле.

Е н . о 2э Пол (3) н"1

Z7где Е „ — напряжение насыцения на выходе дифференциального усилителя.

Учитывая, что при отпирании тран зистора защиты эмиттерного повторителя 29 с защитой по току перегрузки нарастание тока через R, носйт экспоненциальный характер, то излом графика на фиг. 6 происходит в очень узкой зоне изменения тока нагрузки.

В свою очередь, для линейной об ласти при параллельном соединении источников напряжения имеем: ч„.+ rq; где U. „- напряжение на выходе системы из параллельно включенных источников напряжения

Е,- - ЭДС i-го источника напряжения;

- внутренняя проводимость i-го

1 источника напряжения;

q - проводимость нагрузкиа и

Величина q . определяется из вы" ражения:

1483468

Из (5) следует, что q A qц, поэтому (4) можно переписать в сле, дующем виде: ., Е;q„

X.

on

1. Следовательно, U,„ÿâëÿåòñÿ средневзвешенным значением Е;. Если Е .

1 и q распределены по нормальному закону. соответственно с дисперсией 6 и 6, то дисперсия для U < будет определяться из выражения:

6g+ 6q

6н (у) 15

Первоначальной настрбйкой источников 22 эталонного напряжения в источниках 20 опорных напряжений мож- 20 но добиться малых значений 6 и 6, таких, что дополнительный ток несмотря на малые значения q., не превысит

BeJI HHbI I „р

Действительно, если q < 100 См, у разность (U « — F,,) с 100 мкВ, то дополнительный ток ветви будет менее

10 мА. Установив Е

+100 мкВ и разбросе значений q . в 35 пределах 100 . При этом стабильность

U по сравнению со стабильностью параметрических источников 23 напряжений возрастает в Ь раз.

Настройка источников 22 эталонно- 40 го напряжения производится методом сравнения напряжения на выходе каждого с рабочим эталоном, который может быть простейшей мерой напряжения с мостовым компараторным узлом. Та- 45 кие меры доступны и легко могут .доставляться на место эксплуатации гибридной вычислительной системы.

После настройки с точностью до

2-5 мкВ все источники 22 эталонного 50 напряжения работают в линейном режиме. Однако в ходе эксплуатации вслед- ствие временных и температурных дрейфов элементов источников 22 эталонного напряжения напряжение на вы- 55 ходе каждого из них начинает уходить от первоначально установленного значения. Если распределение величин дрейфов симметрично, то всегда с заданной вероятностью можно определить и такое, что хотя бы один из источников 22 эталонного напряжения будет дрейфовать противоположно всем остальным. Для обеспечения симметричного распределения дрейфов необходимы технические приемы рандомизации. Например, использование стабилитронов из разных партий, резисторов с равновероятным знаком температурного дрейфа и из разных партий и т.д. В процессе расхождения напряжений на выходах источников 22 эталонного напряжения источник 20 опорных напряжений сохраняет значение на выходе U â и раз более стабильное, Наконец, вследствие расхождения напряжений на выходах источников 22 эталонного напряжения наступает такой момент, когда один из источников 22 эталонного напряжения переходит в режим ограничения тока. Так как значение U при этом изменится мало, а напряжение на выходе дифференциального усилителя 26 резко возрастает до напряжения насыщения, то ко входу порогового элемента 28 через выпрямитель 25 будет приложен скачок напряжения. При срабатывании пороговый элемент 28 выдает сигнал на элемент KIH-НЕ 21 ° который объединяет аналогичные сигналы со всех источников 22 эталонного напряжения источника 20 опорных напряжений. Появление сигнала на выходе элемента ."

ИЛИ-НЕ 21 не обязательно свидетельствует об отклонении U îò заданного значения, но наличие сигнала говорит об угрожающей ситуации для метрологических параметров или о ка тастрофическом отказе одного из источников 20 эталонных: напряжений.

Во всяком случае отсутствие сигнала на выходе элемента ИЛИ-НЕ 21 с наперед заданной вероятностью гарантирует нахождение U« a заданных пределах.

Появление сигнала на выходе элемента

KIH-НЕ 21 такой гарантии не дает и, следовательно, источник 22 эталонных напряжений нуждается в поверке и настройке..

Поскольку источник 22 эталонных напряжений является связующим звеном в системе обеспечения автономной поверки устройств . цифроаналоговой вычислительной системы с государственными эталонными эталонами напряжения, то следует отметить следующее: для

1483468 поверки источника 22 эталонных напряжений требуется простейший рабочий эталон; состояние источника 22 эта-, лонных напряжений самоконтролирует5 ся. Эти два положения отвечают тре- . бованиям, которые должны быть обеспечены техническими средствами автономной поверки. Далее техническими средствами блока 17 эталонных напряже- 10 ний и программными средствами ЦВМ 14 обеспечивается создание автономной многоэталонной меры.

Порождение системы шкал реперного характера блоком 17 эталонных напряжений осуществляется с помощью последовательного резистивного делителя 38, напряжение с выходов которого через мультиплексор 37 на 2Р положений и через повторитель 36 напряжения с 20 фиксацией перегрузки по току выхода поступает на выход блока 17. Все остальные устройства блока эталонных напряжений предназначены для автономной поверки и управления функцио- 25 нированием.

Алгоритм поверки осуществляется с помощью аппаратных средств блока 17 под управлением ПВМ 14. Процедура поверки начинается с записи в регистр 30

42 состояния командного слова, один из битов которого установит мультиплексор 41 в положение связи его вы хода с первым выходом постоянного запоминающего устройства 43. Состоянием этого же бита задускается стартстопный генератор 44 и на выходе одновибратора 45 генерируется импульс начальной установки первого 48 и второго 49 КБ-триггеров. С выхода старт- 40 стопного генератора 44 последовательно во времени заполняется счетчик 46, параллельный выход которого формирует адресную шину постоянного запоминающего устройства 43. Младший бит 45 этой адресной шины поступает на четырехвходовый элемент 1-3-ИЛИ-2И 47 для стробирования. Кажцое многоразряд" ное выходное слово постоянного запоминающего устройства 43 состоит из . двуМ частей — адресной и контрольной.

В адресной части содержится управление состоянием переключателей и мультиплексоров, а в контрольной — бит контроля состояния выхода "Перегрузка" инвертирующего повторителя Зб напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода. В свою очередь, адресная часть выходного слова постоянного запоминающего устройства 43 состоит из отдельных адресных полей управления первым 30 и вторым 31 переключателями на два положения и два направления, переключателем 34 на пять положений, переключателем 35 на два положения, первым 39 и вторым 40 аналоговыми мультиплексорами íà P положений и аналоговым мультиплексором на 2Р положений. Таким образом, имеется всего семь адресных полей различной разрядности, каждое из которых определяет положение соответствующих переключателей на каждом такте автономной поверки блока эталонных напряжений. Бит контроля состояния выхода "Перегрузка" инвертирующего повторителя 36 "зашивается" в ПЗУ такого значения, каким должен быть выход "Перегрузка" повторителя

36 в случае исправной работы проверяемых устройств. Тогда на выходе элемента НЕЭКВИВАЛЕНТНО 50 не будет сформирован установочный сигнал для первого RS-триггера 48. В противном случае, т.е. если сигнал на выходе

"Перегрузка" инвертирующего повторителя 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода не совпадает со значением контрольного бита на выходе ПЗУ 43, сигналом с выхода элемента НЕЭКВИВАЛЕНТНО первый

RS-триггер 48 будет установлен в единичное состояние, что свидетельствует об обнаружении неисправности.

Четырехвходовый элемент 1-3-ИЛИ-2И 47 объединяет сигнал "Неисправность", который поступает или с выхода первого RS-триггера 48 или с выходов источников 20 опорных напряжений.

На каждом такте процедуры поверки осуществляется стробирование этих сигналов и, если они появляются, то с выхода четырехвходового элемента

1-ЗИЛИ-2И 47 происходит установка второго RS-триггера 49. Состояние вы". хода второго RS-триггера 49 опрашивается ЦВМ 14 для анализа исправности блока эталонных напряжений с самоконтролем. Таким образом, после записи командного слова в регистр 42 состояния контроль исправности блока 17 осуществляется по микропрограм ме "защитой" в ПЗУ 43. Последовательность контроля следующая (см. блоксхему алгоритма на фиг. 7). После пуска режима, осуществленного записью в регистр 42 состояния соответствуl3

1483468

14 ющего командного слова, проверяется (программно) состояние выхода второ, го триггера 49, который может взвестись сразу же на первом такте микро5 программы из-за неисправного состо яния источников 20 опорного напряжения. Затем осуществляется проверка компараторного режима инвертирующего повторителя 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода. Инвертирунвций повторитель 36 напряжения проверяется в трех точках. Сначала через аналоговый мультиплексор на

2Р положений на вход повторителя 36 подается потенциал общей шины, а выход повторителя 36 через переключатель 34 на пять положений (четвертый вывод), переключатель 35 на два положения, первый переключатель 30 на два положения и два направления (четвертый выход) и первый аналоговый . мультиплексор 39 на Р положений также подключается к общей шине устройства. Устройство контроля защиты вы- д5 хода инвертирукицего повторителя 36 напряжения работает аналогично описанному выше устройству ограничения тока выхода источника эталонного напряжения 22. Поэтому его функционирование может быть также описано выходной характеристикой на фиг ° 6, Если напряжение смещения инвертиру» ющего повторителя 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода будет меньше установленнои заданной

35 точностью величины й, то, следовательно, по данному параметру отклонениф нет, в противном случае согласно описанному ранее механизму произойдет установка триггера 49. Далее повторитель 36 напряжения проверяется на срабатывание по току перегрузки. Для этого его вход остается подключенньж через мультиплексор 37 к общей шине устройства, а выход последовательно подключается через переключатель 34 к средним выводам первого 32 и второго 33 делителей напряжения, Напряжение на средних выводах этих делителей устанавливается таким

50 образом, чтобы оно было равно заданной чувствительности срабатывания защиты по току повторителя 36 (i ь см. фиг. 6); Если защита срабатывает, что проверяется контрольным битом

1на выходе ПЗУ 43, то можно считать, что компараторный механизм инверти рующего повторителя напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода работает и имеет заданную чувствительность. Далее согласно блок-схеме алгоритма на фиг. 7 программно осуществляется проверка состояния триггера 49. Если триггер 49 остался в сброшенном состоянии, то значит инвертирующий повторитель 36. успешно прошел проверку на компараторный режим и далее можно приступить к дру» гнм видам автономной проверки. В противном случае устройство следует считать неисправным.

Последовательный резистивный делитель 38 является основным элементом формирования реперных эталонных шкал . блока 17 эталонных напряжений. При любом соотношении резисторов в цепочке относительно средней (заземленной) точки последовательный резистивный делитель 38 представляет собой симметричную схему. Поэтому имеется возможность проверки соотношения плеч делителя по мостовой схеме с чувствительным органом из инвертиру- ющего повторителя 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода.

Для этого средняя точка (заземленная) последовательного резистивного делителя 38 через аналоговый мультиплексор на 2Р положений подключается к входу повторителя 36, выход которого через ветвертый выход переключателя 34 на пять положений и первые выводы первого 30 и второго 31 переключателей на два положения и два направления подключается к крайним выводам последовательного резистивного делителя 38, При этом выходы источника 20 опорных напряжений через третьи выводы первого 30 и второ- го 31 переключателей на два положения и два направления и через первый

39 и второй 40 аналоговые мультиплексоры на P положений подключаются к различным выводам последовательного резистивного делителя 38. Первый и второй аналоговые мультиплексоры 39, 40 на P положений должны при этом работать синфазно. Известно, что условием баланса моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч. Из фиг.8 ,видно, что последовательно переключая синфазно аналоговые мультиплексо" ры 39 и 40 на P положений, можно проверить стабильность величин отношений резисторов делителя 38, что га148346

Далее осуществляется проверка тракта формирования реперных шкал и масштабного коэффициента передачи инвертирующего повторителя 36 напряжения с фиксацией перегрузки по току выхода. Для этого переключатель 34 на пять положений устанавливается на замыкание входа с третьим выходом, первый и второй переключатели на два положения и на два направления 25 устанавливаются на связь с переключателем на два положения. При такой конфигурации целей положительное и отрицательное опорные напряжения подаются на крайние выводы последо- З0 нательного резистивного делителя 38, любые первые P выводов делителя 38 через первый аналоговый мультиплексор 39 могут быть поданы на выход повторителя 36, а любые Р последних

35 выводов делителя 38 при условии переключения переключателя 35 на два положения через второй аналоговый мультиплексор 40 на Р положений также могут быть поданы на выход повторителя 36. В то же время любой вывод последовательного резистивного дели теля.38 через аналоговый мультиплексор 37 может быть подключен к входу инвертирующего повторителя 36 напря» 45 жения с фиксацией перегрузки по току выхода. Следовательно, имеется возможность любое положительное напряжение с выхода делителя 38 замкнуть на. равное по модулю отрицательное напряжение того же делителя через инвертирующий повторитель 36. С учетом инверсии эти напряжения должны быть равны при условии заданного коэффициента передачи повторителя 36, равенства по модулю Еб источников

20, равного соотношения плеч делителя 38 и исправной работы переключателей в пределах установленной чуврантирует стабильность отношений реперных шкал. Точность соблюдения отношений величин резисторов обеспечивается проверенной уже к данному мо5 менту чувствительностью инвертирующего повторителя 36 напряжения.

В случае срабатывания чувствительного элемента по,контрольному биту данного такта это событие будет вы- 10 явлено и осуществится взведение триггера 49. Поэтому согласно блок-схеме алгоритма на фиг. 7 необходима проверка состояния триггера 49.

l6 ствительности компараторного узла по-. вторителя 36.

Результат проверки на каждом такте контролируется контрольным битом, который на данный такт генерирует ПЗУ 43. По завершению этого вида проверки осуществляется контроль состояния триггера 49 и, если он остается сброшенным, блок 17 эталонных напряжений следует считать исправным и готовым к функционированию.

Следует отметить, что схема управления автономной проверкой блока не останавливается по завершению всего цикла проверок, а перехбдит на следующий цикл по заполнению и самосбросу счетчика 46, что позволяет без дополнительных команд управления постоянно держать блок 17 в режиме самоконт" роля.

Для перехода в рабочий режим необходимо в регистр 42 состояния за11исать командное слово рабочего режима.

При этом битом управления мультиплексор 41 будет переведен на связь его выхода с выходом адресной части регистра 42 состояния. Адресная часть регистра 42 состояния аналогично пер» ному выводу ПЗУ 43 содержит отдельные поля управления каждым из переключателей и мультиплексоров устройства. Следовательно, все описанные процедуры за исключением контрольного бита могут выполняться и программно. Однако в рабочем режиме переключатель 34 на пять положений устанав ливается ка связь с выходом устройства (второй выход переключателя), переключатели 30 и 31 устанавливаются на связь выходов источников 20 с крайними выводами последовательного резистивного делителя 38, а управление в основном осуществляется аналоговым мультиплексором 37 на 2Р положений, через который на выход устройства подаются эталонные напряжения, соответствующие системе реперных шкал, принятой для осуществления поверки решающих и преобразовательных блоков цифроаналоговой вычислительной системы. Положение переключателя 35 на два положения и первого 39 и второго

40 аналоговых мультиплексоров на Р положений в рабочем режиме безразлично.

Следует отметить, что блок 17 эталонных напряжений позволяет перейти

17

1 483468

18 от простой меры напряжения к шкале напряжений с заданной и контролируемой степенью точности.

Входом устройства является неинвертирующий вход измерительного дифференциального усилителя 51.

Кодоуправляемый резистор в цепи обратной связи первого каскада дифференциального усилителя позволяет в широких пределах регулировать коэффициент передачи усилителя 51. Выход измерительного дифференциального усилителя 51 через резистор 54 подключен к входу эмиттерного повторителя 52 с кодоуправляемым уровнем ограничения тока. Выход эмиттерного повторителя является выходом устройства, а также подключен х инвертирующему входу дифференциального усилителя 51. Следовательно, система охвачена 100 -ной обратной связью и имеет коэффициент передачи, равный

1 с точностью до погрешности статизма. Дифференциальный усилитель 53 усиливает падение напряжения на ре-. зисторе 54 и подает сформированный сигнал на вход элемента 55 выделения модуля сигнала. Сигнал с выхода элемента 55 поступает на вход порогового элемента 56, на выходе которого формируется сигнал рассогласования, этим сигналом взводится триггер 57, Функционирование блока 18 сравнения напряжений заключается в передаче сигнала с входа. на выход с коэффициентом передачи, равным единице, с orраничением тока выхода. Управление блоком программируемого модуля сравнения напряжений осуществляется от программно доступного регистра 58 со-. стояния, в который записывается управляющее слово, состоящее из двух полей — поля управления кодоуправляемым резистором измерительного ди4 ференциального усилителя 51 и поля управления кодоуправляемым резистором эмиттерного повторителя 52. Механизм ограничения тока выхода аналогичен механизму ограничения тока выхода в источниках 20 опорных напряжений и описан ранее. Выходная характеристика блока 18 аналогична характеристике, приведенной на фиг. 6. Однако благодаря тому, что имеется возмож- ность программно изменять разомкнутый коэффициент усиления измерительного дифференциального усилителя 51 и уровень защиты по току эмиттерногц

55 повторителя 52, появляется возможность менять величину Ь и Х,„р на фиг. 6. Это означает, что если блок

18 используется в качестве элемента сравнения, то имеется возможность изменять его чувствительность (если длительность линейной зоны л) и мощность выхода Х „, что имеет значение для организации схемы упорядоченного выбора при параллельном включении источников напряжения.

В поверочной схеме цифроаналоговой, вычислительной системы блок 18 ,сравнения напряжений до его применейия нуждается в проверке и контроле.

Эта процедура осуществляется путем заземления второго информационного входа блока через аналоговый коммутатор 7 и подаче на его первый информационный вход с блока эталонных напряжений уровней напряжения заданной величины 8 . .Так как Д зависит как от коэффициента, усиления инструментального дифференциального усипителя, так и от выбранной величины

Хо„, то проверку следует осуществлять отдельно по двум регулируемым параметрам, Изменение чувствительности компараторной схемы проверяется по факту несрабатывания от предыдущего поверочного уровня и срабатывания от следующего поверочного уровня. Факт срабатывания определяется по состоянию триггера 57. Т.е. зона неопределенности при поверке блока 18 сравнения напряжений составляет 507. от кванта регулирования, но так как блок используется только как чувствительный элемент, это становится достаточным для организации, поверочной схемы. Поверка передаточной характеристики блока 18 сравнения напряжений основывается на линейной модели дифАеренциального усилителя с глубокой отрицательной обратной связью, Поскольку смещение нуля блока определяется при проверке его работы в компараторном режиме с заземленным выходом, то далее проверяется коэффициент передачи только в двух крайних точках характеристики, т.е. +П „ и -U „„„, . Для этого второй информационный вход блока 18 подключается последовательно во времени через аналоговый коммутатор 7 к выходным поверочным гнездам блока

17 эталонных напряжений, а на первый информационнык вход блока 18 подает20

3468

1О

20

l9 148 ся соответствующее напряжение +U, при этом устанавливается наивысшая чувствительность компараторной схемы.

Если схема защиты по току не сраба тывает, то можно считать линейность коэффициента передачи блока удовлетворительной.

Блок 19 усреднения напряжений содержит m ключевых устройств 61 с ограничением коммутируемого тока. Дифференциальный усилитель 62 совместно с источником 63 напряжения смещения образуют схему формирования сигнала

U,„„ „+ Е „, где U „„ — напряжение на выходе устройства, E — напряжение исТочника 63 смещения. Этот сигнал используется в ключевых устройствах 61 для управления током нагрузки ключа независимо от величины напряжения на выходе. При этом предполагается, что ток выхода блока 19 усреднения напряжений пренебрежимо мал. Управление кгпочевыми устройствами 61 осуществляется с выхода программно доступного регистра 59 состояния через блок 60 усилителей формирователей по радиальной схеме. При положительном потенциале на каждой управляющей шине соответствующий ключ открыт, при отрицательном — закрыт. Отличительной особенностью блока 19 усреднения напряжений является работа со всеми или подавляющим большинством открытых ключей, так как ток каждого ключа ограничен по величине, то очевидно, что схема не будет повреждена. Напряжение на выходе бу-.дет следующим.

Если упорядочить напряжение на входах ключей соответственно U,, U где О, Uq> Uy> ...й1, rtpH ycnoaHH I t-, — I erg =

= Х „ = ... = Х, „, часть ключей войдет в насыщение с отрицательным током ограничения (для ключей с

2о завершении контрольных провеЗ0 рок блока 17 эталонных напряжений, блока 18 сравнения напряжений и блока 19 усреднения напряжений можно пе-. реходить непосредственно к поверке метрологических характеристик реша35 ющих и преобразовательных блоков цифроаналоговой вычислительной системы. В процессе проверки необходимо исходить из модели поверяемого устройства. Так, для поверки суммирующих усилителей, интеграторов и других устройств с линейными характеристиками достаточно осуществить поверку в нескольких точках характеристики, для чего достаточно набора эталонных

4 мер, содержащихся в блоке 17 эталонных напряжений. Измерительная схема для поверки таких устройств реализуется с помощью аналогового коммутатора 7.

Напротив, модели таких устройств, как ЦАП и АЦП, нелинейные операционные схемы, блоки масштабирования, кодоуправляемые интеграторы, содержат резко выраженные нелинейности, 55 что вынуждает осуществлять поярку таких устройств в числе точек характеристики, гораздо превышающем количество эталонных мер в блоке 17. Для поверки таких устройств -необходим

3468

2I

148 источник достаточно плавно меняющейся эталонной меры.

В устройстве такая мера формируется с помощью блока ЦАП 6 и блока

19 усреднения напряжений. Это осуществляется следующим образом. Сначала все ЦАП блока 6 поверяются в точках эталонных мер, имеющихся в блоке 17 эталонных напряжений. Поверяемый ЦАП подключается через блок 19 усреднения напряжений на первый информационный вход блока 18 сравнения напряжений, второй информационный вход которого подключен к выходу блока 17 эталонных напряжений. Ток насыщения блока 18 устанавливается меньше тока насыщения инвертирующего повторителя напряжения блока 17. Увеличивая (или уменьшая) коэффициент усиления блока 18 сравнения напряжений, определяется момент срабатывания защиты или в соответствии с графиком на фиг. 6 величина А, которая в данном случае является абсолютной погрешностью поверяемого ЦАП. Если определенная таким образом величина Л меньше а,„, то считается, что ЦАП годен для формирования непрерывной эталонной меры. В противном случае ЦАП выбраковывается. Канал аналогового коммутатора выделения среднего, к которому подключен через коммутатор 7 вы,бракованный ЦАП, отключается, а все

1.

ЦАП блока 6, удовлетворяющие заданным требованиям в поверяемых точках,,подключаются к открытым каналам блока 19 усреднения напряжений. При этом на выходе блока 19 формируется величина, близкая к среднему значению напряжений на выходах группы ЦАП.

Если ча входы всех ЦАП подать один и тот же код, то на выходе блока 19 будет напряжение, близкое к значению среднего, следовательно в .Гт раз более точное, чем для отдельного ЦАП.

Учитывая, что в блоке 6 чйсло независимых ЦАП велико, можно добиться значительного повышения точности установки сигнала. Эксперимент усреднения можно считать рандонизированным, так как в настоящее время блок 6

ЦАП обычно выполняется по параллельной схеме, т.е. состоит из набора независимых ЦАП. Кроме того, изменяя на небольшую величину в сторону увеличения или уменьшения входные коды некоторых ЦАП можно менять выходное значение сигнала на выходе аналогового коммутатора выделения среднего, следовательно,.имеется возможность устранять систематическую погрешность в поверяемой точке.

Если поверяемые точки ЦАП выбраны таким образом, что совпадают с моментами наиболее резкого изменения в структуре ЦАП, то, основываясь на модели формирования погрешности этих устройств, можно утверждать, что в промежуточных точках погрешность

ЦАП не превысит определенную в поверяемых. Следовательно, имеется возможность формирования непрерывной эталонной меры на выходе блока 19. Регулирование эталонной меры в пределах кванта сигнала ЦАП осуществляется путем увеличения или уменьшения кода на входах ряда ЦАП группы.

Используя непрерывную эталонную меру на основе блока 6 ЦАП, блока 19 усреднения напряжений, блока 18 сравнения напряжений, имеется возможность осуществлять поверку методом эталонного сигнала всех решающих и преобразовательных блоков цифроаналоговой .вычислительной системы.

Поверочная схема формируется анаЭ0 логовым коммутатором 7. Эталонный сигнал создается блоком 6 ЦАП и блоком 19 усреднения напряжений. Сравнение сигналов осуществляется в цифровой форме првцессором ЦВИ-14. При

35 одинаковой разрядности IpJI и АЦП со ответственно блоков 6 и 5 погрешность установки эталонного сигнала на входе АЦП составляет:

+ / (8) эт ЦA> ком э

40 где Ь „„и 6 „,„- дисперсия распределения случайной составляющей погрешности соответственно канала ЦАП и канала аналогового коммутатора вы45 ведения среднего;

r — число задействованных каналов аналогового коммутатора выделения среднего.

Из (8) видно, что при r > 16 и одинаковой точности каналов ЦАП и

АЦП устройством формируется поверочный сигнал достаточной точности.

Поверка каждого ЦАП осуществляется по разностной схеме. В качестве чувствительного элемента используется блок 18 сравнения напряжений. Эталонный сигнал формируется блоком 6

ЦАП и блоком 19 усреднения напряже5

15 в

ЗО

45

23

148 ний. Причем поверяемый ЦАП из блока 6 подключается не к входу блока 19 усреднения напряжений, а к второму информационному входу блока 18 сравнения напряжений. Следует помнить, что все ЦАП модуля 6 на данной стадии уже прошли допускавый контроль в ре-. перных точках вырабатываемых блоком

17 эталонных напряжений. Для поверки в промежуточных точках по значению среднего группы уровень срабатывания защиты по току блока 18-, выход которого соединен с выходом блока 19, . устанавливается ниже уровня срабатывания зациты по току каналов блока 19 что приводит к насыщению его выхода при несовпадении значений напряжений на входе и выходе. Уменьшая коэффициент усиления блока 18, находится точка, в которой защита уже не срабатывает, т.е. определяется h (см. фиг. 6), которая равна абсолютной погрешности поверяемого ЦАП. Аналогичным образом поочередно осуществля ется поверка всех остальных ЦАП блока 6.

Сумматоры АВМ являются устройствами с линейной характеристикой. Однако большое число возможных коэффициентов суммирования, значений общего множчтеля приводит к необходимости поверять как сам суммирующий усилитель, так и рабочие операционные схемы. Поэтому в поверочной схеме предусмотрена возможность поверки опера-. ционного усилителя при К = i от блока

17 эталонных напряжений в реперных точках по разностной схеме, описанной выше. Для поверки рабочих схем используется режим масштабирования сумматора с объединенными входами, на которые подается сигнал блаха 17, а выходной сигнал сравнивается с сигналом, полученным расчетным путем и устанавливаемым на выходе блока 19 от блока ЦАП 6.

Поверка устройств блоков 2-4 осуществляется также.по разностнай схеме. В качестве эталонного сигнала используется сигнал либо с выхода блока 17 эталонных напряжений, либо с выхода блока 19 усреднения напряжений (для поверки нелинейных операционных схем в контрольных точках).

В качестве чувствительного устройства используется блок 18 сравнения напряжений. Часть блоков пониженной точности (например, нелинейные опера3468 24 ционные схемъ, интеграторы в некоторых режимах) могут поверяться по схеме с двойным преобразованием, для чего в поверочную схему включен блок

АЦП 5. Формируется поверочная схема аналоговым коммутатором 7.

Следует отметить, что формирование эталонного сигнала от блока ЦАП 6 с помощью блока 19 усреднения напряжений позволяет осуществлять поверку блоков в динамическом режиме. Действительно, формируя сигнал заданной частоты и осуществляя опрос блока 18 с учетам фазового запаздывания, можно осуществлять поверку устройств на рабочих частотах.

Формула изобретения

Цифроаналоговая вычислительная система, содержащая устройство цифра вай обработки и вычислений, блок сопряжения и устройство аналоговой,обработки и вычислений, содержащее блок моделирования объекта, причем входывыкады адреса, синхронизации и данных устройства цифровой обработки и вычислений соединены с соответствующими первыми входами-выходами блока сопряжения, а входы-выходы адреса, синхронизации и данных блока моделирования объекта устройства аналоговой обработки и вычислений соединены с соответствующими вторыми входамт -выходами блока сопряжения, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, в устройство аналоговой обработки и вычислений введены блок эталонных напряжений, блок сравнения напряжений и блок усреднения напряжений, причем входы-выходы адреса, синхронизации и данных блока эталонных напряжений, блока сравнения напряжений, блока усреднения напряжений соединены с со ответсгвующими вторыми входами-выходами блока сопряжения, выходы эталанного напряжения блока эталонных на пряжений соединены с входом эталонного напряжения блока моделирования объекта, первый и второй инфармацион ные выходы блока моделирования объек-. та соединены с первым и вторым инфор55 мационными входами блока сравнения напряжений,. группа информационных вы ходов блока моделирования объекта соединена с группой информационных входов блока усреднения напряжений, 25 1483468 26 а выход значения среднего напряжения с входом среднего напряжения блока блока усреднения напряжений соединен моделирования .объекта. ъ

Фиг.2

1483468

1483468

Фиг. 5

1483468

1483468

®ere. 1t

1483468

Составитель А. Яцковский

Редактор О. Спесивык Техред Л.Сердюкова Корректор С. Шекмар

Заказ 2835!Ф? Тираж 668 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101