Обратимый преобразователь координат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено25.03.74 (21) 2007359/-24

Союз Советских

Социел истимеских

Республик (11) 525 971 (51) М. Кл.

G 06 G 7/22 с присоединением заявки №

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР па делам изобретений н открытий (23) Приоритет (43) Онубликовано25.08.76,Бюллетень № 31 (45) Дата опубликования описания 15.02.77 (53) УДК 681.333:

: 5 1 (088.8 ), (72) Авторы изобретения

Г. А. Калинин и С. В. Бабаев (71) Заявитель

Харьковский институт радиоэлектроники (54) ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КООРДИНАТ

Изобретение относится к классу тригонометрических вычислителей, которые широко используются в автоматике и вычислительной технике для решения навигационных задач летательных аппаратов: преобразование 5 прямоугольной системы координат в полярную (и обратной операции), поворот системы координат.

Известен обратимый преобразователь координат, который состоит из электронных уз-lp лов и выдает результаты вычислений в цифровой форме jz).

Известен также обратимый преобразователь координат, содержащий переключатели, синусный и косинусный цифро-аналоговые пре-15 образователи, цифровые входы которых подключены к соответствующим выходам младших разрядов регистра угла, сумматор с присоединенным к его выходу компаратором., инвертор, вход которого через первый переключатель 20 подключен к аналоговым входам устройства, преобразователь код-напряжение, входы которого соединены с соответствующими выходами управляющего и входами вспомогательного регистров, и блок управления, входы кото-й рого соединены с выходом компаратора и с соответствующими выходами старших разрядов регистра угла, а выходы подключены к соответствующим управляющим входам всех регистров и переключателей 121 .

Однако такие устройства характеризуются сравнительно невысоким быстродействием, измеряемым десятками миллисекунд. Входящие в схему гармонического осциллятора аналоговые интеграторы требуют для своей работы прецизионные и высокостабильные конденсаторы. Поскольку создание высококачественных конденсаторов является задачей более сложной, чем создание высококачественных резисторов, наличие конденсаторов является фактором, ограничивающим предельную точность обратимого преобразователя координат. Кроме того, конденсаторы значительной емкости являются навесными дискретными компонентами, что затрудняет полное микроэлектронное исполнение вычислителя и приводит к увеличению его габаритно-весовых показателей. Для преобразования временных интервалов в код требуется высокостабильный по частоте генератор импульсов.

3 лннеиьую зависимость:.. ежду выход-.=.ым на-.;:.=жением UiÄ кодом, за исанным в управляющем регистре 14.

Содержимое управляющего регистра 1 "= voжет переписываться во вспомогательный регистр 15 при наличии разрешающего сигнала на входе 16.

Рассмотрим. работу обратимого преобразователя координат в различных режимах его функционирования.

Режим . Преобразование прямоугольной системы координат в полярную.

Коэффидиент передачи косинусного и синусного цифро — аналоговых преобразователей ц определяется всеми разрядами блока младших разрядов 5 регистра угла, Реализация функций $ rl 8 и coS 8 осуществляется методом кусочно-линейной аппроксимации в ин— тервале ра9 Г!g ° Напряжения О.g и 50

0.х с выходов преобразователей 2 и 3 через переключатели25 и 26 соответственно могут подаваться на входы 8 и 9 сумматора

7, к от орый служит для алгеб раичес кого сум.— мирования с коэффициентами передач, равны- 55 ми единице, напряжений, действующих на его входах. Выход сумматора постоянно соединен со входом. 11 компаратора 10. Вход 12 компаратора 10 через переключатель 27 может соединяться с выходом преобразователя 60

Пель изобретения — повысить то п.ост.: и быстродействие преобразователя.

Это достигается тем, что в предложенном устройстве аналоговые входы. синусного и косинусного цифра — аналоговых преобразователей подключень; через две группы переключателей соответственно к аналоговым входам. устройства и выходу инвертора, входы сумматора присоединены через второй и третий переключатели к выходам синусного 10 и косинусного цифро-аналоговых преобразователей и к шине нулевого потенциала, а свободный вход компаратора через четвертый переключатель подключен к выходу преобразователя код-напряжение и к шине ну- 15 левого потенциала.

На чертеже дана структурная схема обратимого преобразователя координат.

Преобразователь содержит инвертор 1, косинусный 2 и синусный 3 цифро-аналого- ® вые преобразователи, регистр угла, состоящий из старших 4 и мла,дших 5 разрядов, блок управления 6, сумматор 7 со входами

8 и 9, компаратор l 0 со входами 1 1 и

12, преобразователь код-напряжение 13, управляющий регистр 1 4, вспомогательный регис" р 15 с у::равляюцил: входом 16, кодовую шину 17, переключатели 18-27.

Б:аимадействие всех узлов и блоков обратил,ого преобразсэа=с,,я коорципат в раз;илчных реж алах его обеспечивается с IIQмощью блока управления 6. Блок управления представляет собой цифровой автомат, закон функционирования которого задается внешцимн спгпт.ахи режима работы устройства

А; Б > С i: D, Выходами блока управления 6 являются сигналы записи информации в регистры 4, 5, 14, 15, а также сигналы управления переключателями (аналоговыми ключами) l 8-27. Сигналы управления переключателями показаны на чертеже пунктирными линиями со стрелками.

На аналоговые входы устройства поступают напряжения О„и Ll, моделирующее в некотором, масштабе координаты х и у вектора R . Кроме того, на входе A блока управления 6 появляется признак режима— константа "1" (В<.= D =О).

Связь полярной системы координат с прямоугольной выражается формулами:

8 =снгсtg(u /и ), 1 где U R — напряжение, пропорциональное модулю вектора R, причем. 0 =- Π— (О ) 8 — аргумент вектора д О Я

В у-стройстве преобразование прямоуголь— ных координат в полярные сводится к тому, что в начале находится кодовый эквивалент у -ла 0, для чего организуется дискретный поворот вектора R представленного своими проекциями U и U, в направлении одной из координатных осей до тех пор, пока одна из проекций вектора Я не станет равной нулю. В это время другая проекция вектора Я соответствует модулю вектора.

Поэтому на следующем этапе можно пере одить к кодовому представлению модуля вектора R

Перед началом преобразования регистр угла (блоки 4 и 5 ) и регистры 14 и 15 сброшены в "0", переключатели 26 и 27 подключают входы 9 и 12 блоков 7 и 10 соответственно к нулевому потенциалу (общей шине устройства), переключатель 25 соединяет вход 8 сумматора 7 с выходом косинусного цифро-аналогового преобразователя 2.

В первых двух тактах производится нахождение квадранта, в котором находится вектор и . Для этого блок управления 6 последовательно замыкает и размыкает переключатели 19 и 20. При этом напряжение ц, и Ll > передаются сединичнымкоэф фициентом. усиления через косинусный цифроаналоговый преобразователь 2 и сумматор

7 на вход 1 1 ком паратора 1 О, кото рь1й проверяет выполнение соотношений И (0, И . 0 х

По сигналам с выхода компаратора 10 блок управления 6 записывает в регистр угла значения старших разрядов ) и P .

B последующих (n — 2)- х тактах производитсЯ фоРмиPQBBние РазРЯдов р — J3 PE —

3 A гистра угла, соответствующих углу ).П П " 1 ) ГДЕ,"П вЂ” НОМЕР квадРанта (} 1 1 = О, 1, 2. 3 ) .

Нахождение цифровых значений угла О осуществлчется путем дискретнь1х поворотов вектора R на фиксированные значения уг— лов в отрицательном направлении (т.е по ходу часовой стрелки) к коордичатной оси в соответствии с уравнениями векторного вращения

= ИХС 05 A„u 1г1 „, (Rj

И = U. Ñ05À „- u Si nA„, (3) х

I где 11.Х и U — новые значения координат вращаемого вектора.

В уравнениях (2) и (3) & } (1 = 3, 4,,11 ) означает суммарное значение угла поворота на }, -ом шаге преобразования.

Для алгоритма поразрядного код1.рования численно ,д,, р,}„д а 9Тф, (4)

К К

1де = J}! — угол поворота вектОра R

l на -ом. шаге преобразования, Во время работы обратимого преобра— зователя координат в режиме А реализуется только одно из уравнений (2) и (3) ° 40

Выбор уравнения производится на основании значений разрядов p}13 . гдеп1=0,2 выбирается уравнение (3), а для г1; =1,3уравнение (2)

Нахождение значений у (L =3, 4, 45, }Л ) производится по изменениям знака выбранной проекции с помощью ком.— паратора 10. Если после поворота вектора на угол.<., его проекция (Jq или Uv, )

1 не меняет свой знак, то p = 1,- и наобо- 50 рот. В конце цикла преобразования в регистре угла будет сформирован код, который с точностью до погрешности дискретизации пропорционален углу е

Следующая операция в режиме А зак- 55 лючается в кодовом представлении модуля вектора и . Для этого блок управления 6, замыкая соответствующие переключатели, обеспечивает набор того из уравнений (2) или (3), которое не использовалось при ко- ® дировании угла. 11ерэкллчатели 18-24 ус— танавл11ва1отся в акое положение, чтобы

/ и -u =/U (О (-,—,i =-P 2) (S) и;п1

Ц ) =/И 1 0 (д:1Я m =1,3) (6)

Для кодирования напряжения L 7 вход

12 компаратора 10 через переключатель

27 соединяется с выходом. преобразователя код-напряжения 1 3. Управление преобразователем осуществляется со стороны управляющего регистра 14, который в свою очередь устанавливается по сигналам с выхода блока управления 6. Информацию для бло— ка . правле гия несут сигналы с выхода компаратора 10, который на каждом шаге алгоОптма поразоядного кодирования осуществляет проверку соотношения И, И}

В конце цикла преобразования в регистре

14 буде.г зафиксирован код, пропорциональный Ug.

Режим B. Прсобразование полярной спс— темь1 коордичат в прямоугольную.

В этом режиме на один из аналоговых входов устройства (Uy, или \Jy ) подается напряженпе Ug, гропорцнональное модулю вектора R, а в регистр угла записывается 1 } разр\т н1,1 1 1(o т д -/)

-33.-} .Р, 2, ". ; /2 -." У,. ) (2

1 л с: 5 т

), U, =U ч с7 1

Необходимая полярность О, 1-, Uy обеспечивается путе 1 соответ còâó1cHIåI коммутации i,åpåêëIoH7 ;е" 18-? g по значениям раз» рядов 3, и B2 . Прп этом о-. значения 8 в формулах (7) и (8) необходимо перейти

»к нормализованному аргументу (8 . где

Оа (9 )" 5Г, После этого

Щ значения проекций Ц, и Uy представляются в виде, отличном от формул (7) и (8) в зависимости от номера квадранта ITI, в который попадает вектор R для Al = 0,2; пляж= 1,3;

U =U =U 5 0(6 „) х 5 и и =И =и сос(В )»

R " П1 и =и =u с,os(8 ), Х 2, R (и и =U =u ь1п(d

B случае необходимости обратимый преобразователь координат обесп.--чивает нреоопредставляющп11 аргу), ..нт вектсра R . Кроме того, на входе B блока управле1н;Я 6 появляется признак режима — к. Ic анта "1

W = D = О). П1е::e :oä с-. лол;;рной cvc-.емы координат 1; пря; ;О го: ьн011 Осусцес I å ëÿ - тся по формула1.

525 971 разование полученных напряжений Бх и У,/ в код. Для этого напряжения U и U3 последовательно во времени подаются через сумматор 7 на вход 11 компаратора, а вход

12 которого через переключатель 27 сое— диняется с выходом. преобразователя 13.

Во время кодирования одного из напряже-.- (U, ..,) дру..й -. (9...8). матора 7 через переключатель 26 или 25 соответственно подключается к нулевому потенциалу. Результат кодирования фиксируется в управляющем. регистре 14. Прежде чем перейти к кодированию следующего напряжения, содержимое управляющего регистра 14 переписывается во вспомагательный регистр 15. Передача информации во вспомагательный регистр 15 осуществляется по сигналу из блока управления 6, поступающему по входу 16.

После этого обнуляется управляющий регистр

14 и начинается кодирование следующего напря ж ения. нуляется. После этого набирается уравнеI ние (6) так, чтобыu =u

М

Затем кодируется напряжение Uq, и результат кодирования остается в управляющем. регистре 14.

Для получения значений новых координат также в виде напряжений в следующем

/ такте набирается уравнение (9) и и =u

7 Х

Что касается проекции Цу/, то с точностью

ДО ПОГPBIJIHOCTH /JHCKPBTHBGI1HH Ll = /./

/3

Режим.D. Преобразование угловых поло— жений синусно-косинусных датчиков информации где 8 — угол поворота ротора датчика.

»р На входе D блока управления 6 действует признак режима — константа "1" (А=

=В=С=О). Если напряжения U, и U интерпретировать как координаты некоторого вектора R, то задача кодирования угла 8

25 решается аналогично задаче нахождения аргумента вектора К в режиме А . При этом в регистре угла формируется код угла о=а/с1д(и !и„), о в а,//.

Обратимый преобразователь координат отличается высокими статическими и динамическими характеристиками и выдает информацию в виде напряжений иихкодовыхэквивалентов. ячейку )3 бло5., представI

H ups c BJJсоотношений

u =u СОЫ +u SInA, () 40 х X и =и со&А + и 5I.AA (/о)

/ x

Верхние знаки в JJpBBbJx частях уравнений (9) и (10) берутся при A > О, ниж- 45 ние — при А О. После анализа знака угла

А блок управления 6 устанавливает переключатели 18-24 в такое положение, чтобы. обеспечить необходимую величину и знак проекции VII в соответствии с уравнением. 50 (9), а переключатели 25 и 26 — в положение, обеспечивающее подачу напряжений

U и U3 соответственно на входы 8 и 9 ! сумматора 7. Проекция U â виде напряжения U преобразуется в двоичный код, 55 который фиксируется в управляющем, регистре 14.

Содержимое управляющего регистра 14 переписывается во вспомогательный регистр

15, после чего управляющий регистр 14- об- 60

Режим. С. Поворот системы координат.

На аналоговых входах устройства действуют напряжения U è Ц,/, представляющие старое положение вектора R на плоскости.

На вход С блока управления 6 подается признак режима — константа "1 " (А=В=13 =

=О). После начальной установки устройства в регистр угла записывается код угла А, представляющий собой значение угла поворота системы координат в диапазоне

" 2 А " 2

Знак угла А записывается в ка 4, а код угла А — в блок

Новые координаты вектора ленные в виде напряжений LIX

I заны со старыми посредством

На аналоговые входы устройства поступают напряжения

=иo co 8, (11)

u1= uosin8! () Формула изобретения

Обратимый преобразователь координат, содержащий переключатели, синусный и косинусный цифро-аналоговые преобразователи, цифровые входы которых подключены к соответствующим выходам младших разрядов регистра угла, сумматор с присоединением к его выходу компаратором, инвертор, вход которого через первый переключатель подключен к аналоговым входам устройства, преобразователь код-напряжение, входы которого соединены с соответствующими выходами управляющего и входами вспомогательного регистров, и блок управления, входы которого соединены с выходом компаратора и с соответствующими выходами старших разрядов регистра угла, а выходы. подключены к соответствующим управляющим. входам всех регистров и переключателей, о т л и ч а ю— шийся тем., что, с целью повышения точности и быстродействия, в нем аналоговые входы синусного и косинусного цифро-анало525 971

Составитель А. Маслов

ТехредМ. ЛиковичКорректор Н, Бугакова

Редактор Т. Фадеева

Заказ 5137/487 Тираж 864 Поцппсно

ЦНИИПИ Государственного комитета Ссвета Министров СССР пс делам изобретений и откры —:;.и

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4 5

Филиал ППП "Патент" г. Ужгород, ул. Пров —,íая, 4 говых преобразователей подключены через две группы переключателей соответственно к аналоговым входам устройства и выходу инвертора, входы сумматора присоединены через второй и третий переключатели к выходам синусного и косинусного цифро-аналоговых преобразователей и к шине нулевого потенциала, а свободный вход компаратора через четвертый переклкнатель подключен к выходу преобразователя код-напряжение и к шине нулевого потенциала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Кори Г., Корн Т. Электронные аналоговые и аналого-цифровые машины, ч.1, "Мир", 1967, стр. 435-455.

2. Патент США Х 3472011, кл. 235-197, 1969,