Устройство для функционального преобразования широтно- импульсных сигналов

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для вычислений функций, при задании в широтно-импульсной форме. Техническим результатом изобретения является упрощение устройства. Устройство содержит четыре преобразователя код частота, два реверсивных счетчика, элемент НЕ и три элемента И-ИЛИ. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для вычисления функций, при задании в широтно-импульсной форме.

Известно устройство (1) для функционального кодирования ШИМ-сигналов на основе метода сквозной аппроксимации. Это устройство также ориентировано на обработку ШИМ-сигнала в следящем режиме, обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения принципа усреднения импульсных потоков.

Устройство (1) содержит шесть преобразователей код-частота, три реверсивных счетчика, для элемента И, элемент ИЛИ, два блока вычитания.

Условием динамического равновесия схемы является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода следования широтно-импульсных сигналов аргумента, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующие и вычитающие входы счетчиков.

Из условия динамического равновесия схемы находим функциональную характеристику устройства в общем виде N_z= N + · + · Это выражение представляет собой рациональную функцию a₁+a₂ × a₄ при при Θx, a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, которая аппроксимирует функцию Y при x∈ [0,1,1] Недостатками устройства (1) являются его сложность, обусловленная наличием двух комбинационных сумматоров-вычитателей и ограниченные функциональные возможности из-за наличия большого количества зависимых коэффициентов аппроксимации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов (2), которое и выбрано в качестве прототипа. В прототипе, как и в рассмотренных аналогах, функциональное преобразование базируется на методах сквозной аппроксимации с использованием цифровой элементной базы.

Прототип (2) содержит четыре преобразователя 1, 2, 3, 4 код-частота, два реверсивных счетчика 5, 6, элемент НЕ 7, элемент 2И-ИЛИ 8, входы 9, 10, 11, 12 и 13 опорных частот, вход 14 кода масштаба, вход 15 ШИМ-сигнала и выход 16 устройства.

Условием динамического равновесия схемы является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода следования широтно-импульсных сигналов аргумента, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующие и вычитающие входы счетчиков.

Из условия динамического равновесия схемы находим функциональную характеристику устройства в общем виде = + f₀₃ В результате нормирования частот по отношению к максимальному значению f_zmax выходной импульсный последовательности получаем
+ f₀₃ где значение
f/F_max, = 1÷5 Обозначим 0 Х, тогда при
= a₁; = a₂; = a₃; = a₄; = a₅; получаем рациональную функцию
· R(X, ) + a₃
которая аппроксимирует функцию Y , при X∈ [0;1;1] cпогрешностью, не превышающей 0,01%
Недостатками прототипа являются его сложность, обусловленная наличием двух комбинационных сумматоров-вычитателей и ограниченные функциональные возможности из-за наличия большого количества зависимых коэффициентов аппроксимации.

Сущность изобретения состоит в создании простого и помехоустойчивого устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов с использованием итерационного метода реализации оператора усреднения, путем организации двух канального частотного коммутирования с соответствующим фазированием и исключения благодаря этому двух сумматоров-вычитателей.

Существенные признаки заявляемого изобретения состоят в том, что в устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов, содержащее первый, второй, третий и четвертый преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, элемент НЕ, элемент 2И-ИЛИ, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы опорных частот, вход кода масштаба, вход ШИМ-сигнала и выход устройства, причем выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с кодовыми входами второго и третьего преобразователей код-частота, выходы которых подключены к вычитающим входам первого и второго реверсивных счетчиков соответственно, суммирующий вход последнего соединен с выходом четвертого преобразователя код-частота, при этом вход ШИМ-сигнала устройства непосредственно соединен с вторым, а через элемент НЕ с четвертым входами элемента 2И-ИЛИ, первый и третий входы которого подключены к третьему и четвертому входам опорных частот устройства, введены второй и третий элементы 2И-ИЛИ, выходы которых соединены соответственно с частотным входом первого преобразователя код-частота и выходом устройства, первый и второй входы опорных частот которого соединены с первым и третьим входами второго элемента 2И-ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым входом третьего элемента 2И-ИЛИ и входом ШИМ-сигнала устройства, а четвертый с выходом элемента НЕ и третьим входом третьего элемента 2И-ИЛИ, первый и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами второго и третьего преобразователей код-частота, частотный вход четвертого преобразователя код-частота является пятым входом опорной частоты устройства, а его кодовый вход объединен с входом кода масштаба устройства и кодовым входом первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с суммирующим входом первого реверсивного счетчика, при этом выход первого элемента 2И-ИЛИ объединен с частотными входами второго и третьего преобразователей код-частота.

Вышеизложенное свидетельствует о наличии в заявляемом техническом решении отличительных от прототипа признаков, включающих как дополнительные элементы (два элемента 2И-ИЛИ), так и ранее неизвестные связи между ними и элементами прототипа. Эти элементы находят широкое применение в устройствах цифровой вычислительной техники. В заявляемом техническом решении все элементы устройства, используются по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако, взятые в совокупности, эти элементы и элементы прототипа, сохраняемые и новые связи, характеризуют новое свойство, не присущее ни прототипу, ни одному из известных аналогов: упрощение устройства для функционального преобразования ШИМ-сигналов и расширение его функциональных возможностей. Это свойство не повторяет ни одного из известных свойств отличительных признаков и не является их суммой. Другими словами, введенные элементы необходимы для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все они вместе взятые, т.е. с учетом всех взаимосвязей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате, а именно в упрощении устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов и расширении его функциональных возможностей.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит четыре преобразователя 1, 2, 3, 4 код-частота, два реверсивных счетчика 5, 6, элемент НЕ 7, элемент 2И-ИЛИ 8, входы 9, 10, 11, 12 и 13 опорных частот, вход 14 кода масштаба, вход 15 ШИМ-сигнала и выход 16 устройства, причем выходы реверсивных счетчиков 5, 6 соединены соответственно с кодовыми входами преобразователей 2, 3 код-частота, выходы которых подключены к вычитающим входам реверсивных счетчиков 5, 6 соответственно, суммирующий вход последнего соединен с выходом преобразователя 4 код-частота, при этом вход 15 ШИМ-сигнала устройства непосредственно соединен с вторым, а через элемент НЕ с четвертым входами элемента 2И-ИЛИ 8, первый и третий входы которого подключены к входам 11, 12 опорных частот устройства. Устройство также содержит два элемента 2И-ИЛИ 17, 18, выходы которых соединены соответственно с частотным входом преобразователя 1 код-частота и выходом 16 устройства, входы 9, 10 опорных частот которого соединены с первым и третьим входами элемента 2И-ИЛИ 17, второй вход которого объединен с вторым входом элемента 2И-ИЛИ 18 и входом 15 ШИМ-сигнала устройства, а четвертый с выходом элемента НЕ 7 и третьим входом элемента 2И-ИЛИ 18, первый и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами преобразователей 2, 3 код-частота, частотный вход преобразователя 4 код-частота является входом 13 опорной частоты устройства, а его кодовый вход объединен с входом 14 кода масштаба устройства и кодовым входом преобразователя 1 код-частота, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 5, при этом выход элемента 2И-ИЛИ 8 объединен с частотными входами преобразователей 2, 3 код-частота.

Работа устройства происходит следующим образом.

Пусть в исходный момент времени счетчики 5 и 6 обнулены. На вход 15 подается широтно-импульсный сигнал с относительной длительностью Θ на входы 9-13 импульсные последовательности опорных частот f₀₁-f₀₅соответственно, а на вход 14 код N масштабного коэффициента.

На суммирующий вход реверсивного счетчика 5 с выхода элемента 2 И-ИЛИ 17 под управлением кода N поступают импульсные последовательности опорной частоты f₀₁ в течение действия ШИМ-сигнала и опорной частоты f₀₂- в его отсутствии. При этом первый импульс, появившийся на выходе преобразователя 1 код-частота, записывается в реверсивный счетчик 5 и делает его содержимое отличным от нуля.

На суммирующий вход реверсивного счетчика 6 под управлением кода N поступает импульсная последовательность опорной частоты f₀₅, при этом преобразователи 2, 3 работают через элемент 2И-ИЛИ 8 с опорной частоты f₀₃ в течение действия ШИМ-сигнала и с опорной частоты f₀₄ в его отсутствии. Преобразователи 2, 3 код-частота включены соответственно в цепи обратной связи реверсивных счетчиков 5, 6 и начнет вырабатывать импульсные последовательности, так как управляющие им код N_z1 и N_z2 с выходов счетчиков 5, 6 стали отличными от нуля. Последовательность импульсов с выхода преобразователя 2 непрерывно поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 5 и в течение действия ШИМ-сигнала через элемент 2И-ИЛИ 18 на выход 16 устройства. Последовательность импульсов с выхода преобразователя 3 непрерывно поступает на вычитающий вход счетчика 6 и в течение отсутствия ШИМ-сигнала через элемент 2И-ИЛИ 18 на выход 16 устройства.

Далее процесс повторяется аналогичным образом, и при достижении равенства числа импульсов на период следования ШИМ-сигнала, поступающих на суммирующий и вычитающий входы для обоих счетчиков, устройство переходит в режим динамического равновесия, при котором частота на выходе 16 устройства соответствуют требуемому результату.

Все элементы предлагаемого устройства являются хорошо известными. Если, например, представить реализацию устройства на системе элементов ТТЛ, то можно выбрать следующие микросхемы: преобразователи 1-4 код-частота могут быть выполнены, например, на основе микросхемы К155ИЕВ; в качестве реверсивных счетчиков 5 и 6 можно использовать, например, микросхему К155ИЕ7; в качестве элементов 2И-ИЛИ 8, 17, 18 можно использовать, например, микросхему К155ЛР1, а в качестве элемента НЕ 7 микросхему К155ЛН1.

В основу работы устройства положен итерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы. В качестве схемы сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования, используется реверсивный счетчик. В устройстве два независимых контура работают параллельно: первый выполнен на основе реверсивного счетчика 5, а второй на основе реверсивного счетчика 6. С помощью этих счетчиков осуществляется вычитание поступающих на их входы частот импульсных потоков и интегрирование полученной разности с выдачей результата в виде двоичного кода.

Условием динамического равновесия устройства является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода следования ШИМ-сигнала аргумента, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующие и вычитающие входы реверсивных счетчиков.

В соответствии с функциональной схемой предложенного устройства на суммирующий вход реверсивного счетчика 5 поступает импульсная последовательность со средней частотой
= N а на его вычитающий вход
= N где N_z1 выходной код счетчика 5;
n разрядность преобразователя код-частота.

Динамическое равновесие реверсивного счетчика 5 будет при условии
= Отсюда
N= N (1)
Условием динамического равновесия реверсивного счетчика 6 с учетом функциональных характеристик преобразователей 3, 4 и элементов 2И-ИЛИ 8 и НЕ 7 является
N N (2) где N_z2 выходной код реверсивного счетчика 6.

Из выражения (2) не трудно определить среднее значение выходного кода реверсивного счетчика 6.

С выхода преобразователя 2 код-частота поступает импульсная последовательность через элемент 2И-ИЛИ 18 на выход 16 устройства в течение действия ШИМ-сигнала. Так как этот интервал времени совпадает с поступлением импульсных последовательностей опорной частоты f₀₃ на частотный вход преобразователя 2 код-частота, то на выходе последнего за этот интервал времени вырабатывается импульсная последовательность со средней частоты f₀₃N_z1 Θ/2ⁿ.

Аналогично, с выхода преобразователя 3 код-частота поступает импульсная последовательность через элемент 2И-ИЛИ 18 на выход 16 устройства в течение отсутствия ШИМ-сигнала. Так как этот интервал времени совпадает с поступлением импульсных последовательностей опорной частоты f₀₄ на частотный вход преобразователя 3 код-частота, то на выходе последнего за этот интервал времени вырабатывается импульсная последовательность со средней частотой f₀₄N_z2(1 -Θ )/2ⁿ.

Таким образом, на выходе 16 устройства за период следования ШИМ-сигнала поступает импульсная последовательность со средней частоты
= Θ N+ (1-Θ)N
Принимая во внимание выражения (1) и (2), получим среднюю частоту выходного импульсного потока в виде
= N + (1-Θ)N =
+

В результате нормирования частот по отношению к максимальному значению частоты выходной импульсной последовательности получаем
где значение f_oi= f_oi/ _max, i= 1÷5
Обозначим Θ= Х, тогда при
= a₁, = a₂, = a₃, = a₄, = a₅, получаем рациональную функцию
R(X, ) (3)
Таким образом, устройство реализует функциональную зависимость, благодаря чему может быть воспроизведен широкий набор функций, аппроксимируемых выражением (3).

Например, при следующих значениях
а₁ 1,00152;
а₂ 0,68996;
а₃ 1,316;
а₄ 0,316;
а₅ 0,12974, получаем рациональную дробь
N
N
N
Это выражение, как известно (2), аппроксимирует функцию N в диапазоне Х∈[0,1;1] с методической погрешностью δ≅0,12%
Таким образом, предлагаемое устройство проще прототипа, так как позволило отказаться от использования ряда блоков прототипа (два кодового сумматора-вычитателя, элемента И и элемента ИЛИ), а вместо этого добавились два элемента 2И-ИЛИ.

Предлагаемое устройство является к тому же простым и технологичным, из-за существенно более простой трассировки, связанной с меньшим числом шинных связей между блоками устройства.

Число этих связи (на схемах шинные линии выделены как групповые по ГОСТ 2.751-73*, то есть представлены двойной-тройной толщиной) для прототипа равно 8, а для заявляемого устройства (фиг. 1) 4. Откуда видно, что произошло упрощение устройства по шинным связям в 2 раза.

В результате сокращения затрат оборудования повысилась и надежность устройства, численные характеристики которой будут зависеть от способа технологической реализации.

Важным достоинством заявляемого устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов является его более широкие функциональные возможности. Это предопределено обеспечением всех независимых коэффициентов аппроксимации в функциональной характеристике.

Например, при следующих значениях
а₁ 1,0008;
а₂ 0,7944;
а₃ 1,25;
а₄ 0,25;
а₅ 0,268, получаем
N
N
N
Это выражение, как известно (2), аппроксимирует функцию
N в диапазоне X∈[0,1,1] с методической погрешностью δ≅0,1%
Например, при следующих значениях
а₁ 1,54407;
а₂ 8,5;
а₃ 0,1316;
а₄ 1,1316;
а₅ 0,0, получаем

N
N
Это выражение, как известно (5), аппроксимирует функцию
N arcsinΘ в диапазоне X∈[0,0,7) с методической погрешностью δ≅0,1%
Например, при следующих значениях
а₁ 1,4182;
а₂ 2,237496;
а₃ 0,78881;
а₄ 1,78881;
а₅ 0,0, получаем
N
Это выражение, как известно (5), аппроксимирует функцию
NX
в диапазоне X∈ [0;1] с методической погрешностью δ≅0,7%
Например, при следующих значениях
а₁ 1,00145;
а₂ 1,96392;
а₃ 0,63398;
а₄ 1,63398;
а₅ 0,0, получаем
N_z= N Это выражение аппроксимирует функцию
N tg (π/y)x в диапазоне X∈[0;1] с методической погрешностью δ≅0,1%
Таким образом, предлагаемое устройство (по сравнению с прототипом) имеет более широкие функциональные возможности, что приведет и к расширению области его применения.

В таблице приведены результаты аппроксимаций для ряда элементарных функций, воспроизводимых предложенным устройством для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов.

Заявляемое устройство является к тому же более однородным, что в свою очередь повышает его технологичность, а при сопоставлении в единой конструкторско-технологической среде проектирования будет иметь меньшие габариты и вес.

Стоимость предлагаемого устройства ниже стоимости прототипа при одинаковых условиях производства, что обусловлено сокращением затрат оборудования.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее четыре преобразователя код частота, два реверсивных счетчика, элемент НЕ и первый элемент И ИЛИ, причем первый вход опорной частоты устройства соединен с первым входом первого элемента И ИЛИ, второй вход которого соединен с входом элемента НЕ и входом аргумента устройства, второй вход опорной частоты которого соединен с третьим входом первого элемента И ИЛИ, четвертый вход которого соединен с выходом элемента НЕ, выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с кодовыми входами первого и второго преобразователей код частота, выходы которых соединены соответственно с вычитающими входами первого и второго реверсивных счетчиков, суммирующий вход второго реверсивного счетчика соединен с выходом третьего преобразователя код частота, отличающееся тем, что оно содержит второй и третий элементы И ИЛИ, причем третий вход опорной частоты устройства соединен с первым входом второго элемента И ИЛИ, второй и третий входы которого соединены соответственно с входом аргумента и четвертым входом опорной частоты устройства, пятый вход опорной частоты которого соединен с частотным входом третьего преобразователя код частота, кодовый вход которого соединен с входом кода масштаба устройства и кодовым входом четвертого преобразователя код- частота, выход и частотный вход которого соединены соответственно с суммирующим входом первого реверсивного счетчика и выходом второго элемента И ИЛИ, четвертый вход которого соединен с выходом элемента НЕ, выход первого элемента И ИЛИ соединен с частотными входами первого и второго преобразователей код частота, выход первого из которых соединен с первым входом третьего элемента И ИЛИ, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с входом аргумента устройства, выходом элемента НЕ и выходом второго преобразователя код частота, выход третьего элемента И ИЛИ является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2