Устройство для определения аргумента вектора

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах. Цель изобретения - повышение точности при расширении динамического диапазона. Устройство содержит генератор тригонометрических функций, состоящий из блока деления, формирователя опорного импульса и квадратурного генератора, два блока сравнения, блок выделения максимума и минимума, блок деления и блок коммутации, состоящий из элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и аналогового ключа. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах, а также в различных автоматизированных устройствах, где требуется определение значения arctg(X/Y) с высокой точностью и в большом динамическом диапазоне.

Известно устройство для определения аргумента вектора, содержащее логарифмические функциональные генераторы, блоки суммирования и вычитания напряжений, блок памяти, блок нелинейной коррекции, коммутаторы и блок калибровки. Его работа основана на аппроксимации функции аргумента логарифмическими функциями ортогональных составляющих.

Устройство довольно сложное в реализации, имеет ограниченную точность из-за аппроксимации.

Известно устройство цифроаналогового тангенсного преобразователя, содержащего два резистора с цифроуправляемой проводимостью, резистор с цифроуправляемым сопротивлением и операционный усилитель.

Устройство имеет малую методическую погрешность, так как для аппроксимации взято математическое выражение: arctg x (A₁x + A₃x³)/B_o + x²), где коэффициенты A₁, A₃, B_o должны устанавливаться с очень высокой точностью, менее 0,02% Устройство требует применения сложных цифровых устройств, что в сочетании с аналоговыми сигналами нерационально.

Известно устройство для тригонометрического преобразования, содержащее сумматоры и блоки деления на логарифмических усилителях, подключенные к блоку вычитания, выход которого связан с антилогарифмическим блоком. Оно решает в неявном виде следующее соотношение: arctg(z/x) U_вых π/2(z/x),^1,2125/[1+(z/x)^1,2125] Устройство довольно простое в исполнении, имеет высокое быстродействие, однако такой вид аппроксимации дает большую погрешность (0,7^о).

Аналогично можно реализовать более сложную математическую зависимость с помощью множительно-делительных устройство и блоков суммирования. В этом случае устройство будет иметь высокое быстродействие, малую методическую погрешность, но ограниченный динамический диапазон и довольно большую инструментальную погрешность, так как погрешности нескольких нелинейных устройств будут определять суммарную погрешность.

Наиболее близкими по общим техническим признакам являются тригонометрические функциональные преобразователи время-импульсного действия, основанные на формировании временных интервалов с использованием генератора тригонометрических функций, в которых для получения выходного сигнала, пропорционального значению arctg(z/x), используют генератор тригонометрических функций, два множительно-делительных блока, сумматор, блок сравнения и блок регистрации Устройство довольно простое в исполнении, однако обладает невысокой точностью при уменьшении амплитуды одного из сигналов, так как в этом случае приходится проводить измерения с гармоническими сигналами малой амплитуды.

Целью изобретения является повышение точности при расширении динамического диапазона.

Сущность изобретения состоит в том, что когда X ≅ Y, то измерения осуществляют в диапазоне углов от 0 до π /4 для arctg(X/Y), а для получения значения arctg(X/Y) в диапазоне углов от π /4 до π/2, когда Y≅X, то используют соотношение arctg(X/Y) π /2-arcctg(Y/X), и измерения проводят для значений arcctg(Y/X).

Такой способ определения значений arctg(X/Y) позволяет использовать для измерений саму функцию тангенса или котангенса на интервалах, где их абсолютные величины не превышают значений единицы, тем самым снизить требования к используемым измерительным звеньям, повысить точность измерений и расширить динамический диапазон.

Цель в устройстве для определения аргумента вектора, содержащем блок деления, блок сравнения, блок регистрации и генератор тригонометрических функций, первый выход которого подключен к первому входу блока сравнения, выход которого подключен к первому входу блока регистрации, достигается тем, что оно дополнительно содержит амплитудный селектор, а блок регистрации выполнен управляемым, причем первый и второй входы устройства подключены к соответствующим входам амплитудного селектора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока деления соответственно, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, второй выход генератора тригонометрических функций подключен к второму входу блока регистрации, управляющий вход которого подключен к третьему выходу амплитудного селектора; амплитудный селектор содержит блок выделения максимума, минимума и блок сравнения, причем первый и второй входы амплитудного селектора подключены соответственно к попарно соединенным первым и вторым входам блоков выделения максимума, минимума и блока сравнения, два выхода блока выделения максимума, минимума и выход блока сравнения подключены к первому, второму и третьему выходам амплитудного селектора, соответственно.

Генератор тригонометрических функций содержит квадратурный генератор, блок деления и формирователь опорного импульса, причем первый и второй выходы квадратурного генератора подключены к первому и второму входам блока деления соответственно, вход формирователя опорного импульса подключен к одному из выходов квадратурного генератора, выходы блока деления и формирователя опорного импульса подключены к первому и второму выходам генератора тригонометрических функций соответственно.

Управляемый блок регистрации содержит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключ, причем первый вход управляемого блока регистрации подключен к первым входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключа, второй вход которого подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход последнего подключен к второму входу управляемого блока регистрации, управляющий вход которого подключен к управляющему входу ключа, выход которого является выходом управляемого блока регистрации.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения аргумента вектора.

Оно содержит амплитудный селектор 1; блок деления 2; блок сравнения 3, генератор 4 тригонометрических функций; блок коммутации 5.

Блоки в устройстве для определения аргумента вектора соединены следующим образом. Первый и второй входы устройства подключены к первому и второму входам амплитудного селектора 1 соответственно, выходы которого подключены к первому и второму входам блока деления 2 соответственно. Выход последнего подключен к первому входу блока сравнения 3, к второму входу которого подключен первый выход генератора 4 тригонометрических функций. Второй выход последнего подключен к первому входу управляемого блока регистрации, второй вход которого подключен к выходу блока сравнения 3. Третий (управляющий) вход управляемого блока регистрации подключен к третьему выходу амплитудного селектора 1.

На фиг. 2 приведена структурная схема амплитудного селектора 1. В его состав входят блок 6 выделения максимума и минимума и блок сравнения 7. Блоки в амплитудном селекторе 1 соединены следующим образом. Первые и вторые входы блока 6 выделения максимума, минимума и блока сравнения 7 попарно соединены между собой и подключены к первому и второму входам амплитудного селектора 1 соответственно. Первый и второй выходы блока 6 выделения максимума и минимума подключены к первому и второму выходам амплитудного селектора 1 соответственно. Выход блока сравнения 7 подключен к третьему выходу амплитудного селектора 1.

На фиг. 3 приведена структурная схема генератора 4 тригонометрических функций, В его состав входят квадратурный генератор 8, блок деления 9 и формирователь 10 опорного импульса. Блоки соединены следующим образом. Первый и второй выходы квадратурного генератора 8 подключены к первому и второму входам блока деления 9 соответственно. Вход формирователя 10 опорного импульса подключен к одному из выходов квадратурного генератора 8. Выходы блока деления 9 и формирователя 10 опорного импульса подключены к первому и втором выходам генератора 4 тригонометрических функций.

На фиг.4 приведена структурная схема управляемого блока коммутации 5. В его состав входят логический элемент 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключ 12. Первый вход управляемого блока регистрации 5 подключен к первым входам логического элемента 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключа 12. Второй вход управляемого блока регистрации 5 подключен к второму входу логического элемента 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к второму входу ключа 12. Управляющий вход ключа 12 подключен к третьему (управляющему) входу управляемого блока регистрации.

Устройство для определения аргумента вектора работает следующим образом.

Входные напряжения U_x и U_y, соответствующие величинам X и Y, поступают на первый и второй входы амплитудного селектора 1 и соответственно блока 6 выделения максимума, минимума и блока сравнения 7. Так как рассматривается главное значение угла для первого квадранта, то входные сигналы имеют одинаковые знаки. Блок 6 выделения максимума, минимума выделяет, например, на первом своем выходе максимальное из двух напряжение U_1-1, а на втором минимальное напряжение U_1-2, которое поступает, например, на второй вход блока деления 2, являющийся входом сигнала-делимого. Максимальное напряжение U_1-1 поступает на первый вход блока деления 2, являющийся входом сигнала делителя.

Таким образом, на выходе блока деления 2 получают напряжение U₂ пропорциональное отношению (U_1-2)/(U_1-1) K ≅1, т.е. использование амплитудного селектора обеспечивает работу блока деления 2 в диапазоне значений К, лежащих в интервале 0≅К≅1. При этом напряжение U₂ будет линейно изменяться при изменениях значений К. Следовательно, можно записать: U₂ U_oK, (1) где K X/Y U_x/U_y при U_x ≅ U_y и K U_y/U_x при U_y ≅ U_x.

Напряжение U₂ поступает на первый вход блока сравнения 3. На второй вход последнего поступает напряжение U_4-1 от генератора 4 тригонометрических функций. Формирование напряжения U₃ на выходе блока сравнения 3 поясняет диаграмма, представленная на фиг.5.

Напряжение U_4-1 получается после деления двух гармонических напряжений (см. фиг. 5,а,б), следовательно это напряжение соответствует напряжению, изменяющемуся по закону функции котангенса. Блок сравнения 3 сравнивает напряжение U₂ с выхода блока деления, которое является опорным, с напряжением U_4-1. Напряжения U₂ и U_4-1 выбираются так, чтобы при условии U_x=U_y напряжение U₂ было равно напряжению U_4-1 в момент времени, соответствующий π /4, т.е. 1/8 периоду гармонических колебаний квадратурного генератора.

В этом случае в течение времени, когда напряжение U_4-1 ≥ U_2, на выходе блока сравнения 3, например, сигнал логической "1", а в течение времени, когда U_4-1 ≅ U₂, на выходе блока сравнения 3 устанавливается сигнал логического "0", напряжение U₃ (см.фиг.5,в). Эта последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна значению arcctg(U_1-2)/U_1-1), поступает на первый вход управляемого блока регистрации 5, т.е. на первые входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключа 12.

На второй вход управляемого блока регистрации 5 и соответственно на второй вход логического элемента 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ поступает последовательность импульсов напряжений U_4-2 c второго выхода генератора 4 тригонометрических функций, длительность которых соответствует 1/4 периода гармонических колебаний квадратурного генератора 8.

Эта последовательность импульсов сигнала U_4-2, которая формируется на выходе формирователя 10, приведена на фиг.5,г. Формирователь 10 может быть построен разными способами и подключен своим входом к любому из выходов блоков 8 и 9, поэтому он не выделен как самостоятельный блок.

Последовательность импульсов U₃ и U_4-2 на выходе логического элемента 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формирует на его выходе сигнал U₁₁ (см.фиг.5,д), представляющий собой последовательность импульсов, длительность которых соответствует разности длительностей сигналов U_4-2 и U₃. Так как длительность импульса сигнала U_4-2 соответствует интервалу π /2, а длительность импульса сигнала U₃ соответствует значению arcctg(U_1-2)/U_1-1), которое можно представить в соответствии с выражением (1): arcctg(U_1-2)/U_1-1) arctg(X/Y)arcctg(Y/X) при X ≥ Y (2) Длительность импульса сигнала U₁₁ можно записать следующим образом:
π /2-arcctg(U_1-2)/(U1-1)
π /2-arcctg(X/Y) arctg(X/Y)
при X≅ Y (3)
Таким образом, на первом и втором входах ключа 12 имеем последовательности импульсов напряжений U₃ и U₁₁, длительности которых пропорциональны, соответственно, arctg(X/Y) при X ≥ Y и arctg(X/Y) при X ≅Y.

Эти сигналы напряжений U₃ или U₁₁ проходят на выход ключа 12 в соответствии с управляющими логическими сигналами U_1-3 с третьего выхода амплитудного селектора 1, которые формируются на выходе блока сравнения 7. В случае, когда X≅Y, т.е. U_x≅U_y, на выход ключа 12 поступают сигналы U₁₁, длительность импульса которых пропорциональна значению arctg(X/Y), а в случае X≥Y. т.е. U_x≥U_y, на выход ключа 12 с первого входа поступают сигналы U₃, длительность импульса которых пропорциональна значению arctg(X/Y) ( π /2-arcctg(X/Y).

Таким образом, для различных соотношений X и Y получим на выходе управляемого блока 5 последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна значению arctg(X/Y).

Блок сравнения 6 может быть построен различными путями при сравнении одного из входных сигналов с другим входным или любым из выходных сигналов блока 5 выделения максимума и минимума (поэтому он входит в состав амплитудного селектора, а не выделен в отдельный блок).

На первом выходе генератора 4 тригонометрических функций может быть реализация функции различного вида, содержащая в интервале 1/8 периода функцию, изменяющуюся по закону тангенса или котангенса.

Методическая ошибка устройства равняется нулю, а при изменениях амплитуд входных сигналов в большом динамическом диапазоне погрешность преобразования будет меньше, чем в прототипе, так как использование амплитудного селектора обеспечивает работу всех блоков в меньшем диапазоне. Инструментальная погрешность в предлагаемом устройстве будет меньше также из-за того, что погрешности в различных звеньях устройства будут относится не к 90^о, как в других устройствах, а к 45^о, что снизит погрешность примерно в 2 раза.

Устройство реализуется с помощью обычных известных звеньев.

Формула изобретения

1. Устройство для определения аргумента вектора, содержащее генератор тригонометрических функций и первый блок сравнения, первый вход которого является первым входом устройства, отличающееся тем, что в него введены блок выделения максимума и минимума, блок деления, блок коммутации и второй блок сравнения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока деления и с первым выходом генератора тригонометрических функций, второй выход которого и выход второго блока сравнения подключены к информационным входам блока коммутации, выход которого является выходом устройства, первый вход которого подключен к первому входу блока выделения максимума и минимума, выходы которого соединены с входами блока деления, второй вход устройства подключен к вторым входам первого блока сравнения и блока выделения максимума и минимума, выход первого блока сравнения соединен с управляющим входом блока коммутации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор тригонометрических функций содержит блок деления, формирователь опорного импульса и квадратурный генератор, первый выход которого соединен с первым входом блока деления и с входом формирователя опорного импульса, выход которого и выход блока деления являются соответственно вторым и первым выходами генератора, второй выход квадратурного генератора соединен с вторым входом блока деления.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок коммутации содержит элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и аналоговый ключ, управляющий вход и выход которого являются соответственно управляющим входом и выходом блока, первый информационный вход которого соединен с первым информационным входом аналогового ключа и с первым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход и выход которого подключены соответственно к вторым информационным входам блока и аналогового ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5