Функциональный преобразователь

 

(72) Авторы изобретения

А. А. Галузо, В. А. Лобрьщень, О. К. Илюнин и В, П. Кольцов (7}) Заявитель

Харьковский институт радиоэлектроники

I (54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ HPEOBPA308ATEJlb

Изобретение относится к области аналоговой и аналого-вычислительной техники.

Известен функциональный преобразователь, содержащий блоки аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, дешифратор, логи-. ческий блок, операционные усилители, блок вы- 5 оора максимума, потенциометры, суммирующий операционный усилитель. Его недостатком является значительный объем оборудования (1).

Наиболее близким техническим решением является функциональный преобразователь, содер-10 жащий инвертор, вход которого является входом функционального преобразователя, операционный усилитель, выход которого является выходом функционального преобразователя, блок аналого-цифрового преобразования, вход кот рого соединен со входом инвертора, дешифратор, входы которого подключены х выходам блока аналого-цифрового преобразования, и ключей, выходы которых подключены ко входу опе20 рационного усилителя, а управляющие входы— к соответствующим выходам дешнфратора (2).

Недостатками такого устройства являются сложность схемы и сложность настройки на воспроизведение заданной непрерывной функции.

Целью изобретения является упрощение структуры и процедуры настройки на воспроизведение заданной функции.

Для достижения: поставленной цели предложенный функциональный преобразователь содер. жит и аппроксимирующих элементов, каждый из которых, кроме первого, реализован на четырех потенциометрах и четырех масштабных резисторах, которые соединены в звезду, подключенную входами к подвижным контактам потенциометров, а узлом к информационному входу соответствующего ключа, первый и второй патенциометры включены между входом и выходом ипвертора, а третий и четвертый потенциометры— между шинами положительного и отрицательного опорных напряжений, первый аппроксимирующий элемент выполнен на трех потенциометрах и трех масштабных резисторах, которые соединены в энеэду, подключенную входами к подвижным контактам потеициометров, а узлом к информ ционцому входу первого ключа, первый и второй потенциометры первого аппроксимирующего

674045

3 элемента включены между входом и выходом йнвертора, а третий потенциометр — между шинами положительного и отрицательного напряжений, подвижные контакты второго и четвертого потенциометров каждого предыдущего по номеру аппроксимирующего элемента, кроме первого, соединены механически с подвижными контактами первого и третьего потенциометров следующего по номеру аппроксимирующего элемента, подвижный контакт второго потенциометра 10 первого аппроксимирующего элемента соединен механической связью с подвижными контактами первого и третьего потенциометров второго алпроксимирующего элемента, подвижные контак- ты первого и третьего потенциометров первого .. аппроксимирующего элемента соединены механически, подвижные контакты третьего и четвертого потенциометров n-ro аппроксймирующего элемента соединены механически.

На фиг, 1 приведена блок-схема функцио- 2р нального преобразователя, На фиг. 2 представлен график его работы.

Функциональный преобразователь содержит инвертор 1, блок 2 аналого-цифрового преобразования. дешифратор 3, и ключей 4>-4п, операционный усилитель 5, п аппроксимирующих элементов б>-б„, в состав каждого из которых, кроме первого, входят первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 потенциометры и масштабные резисторы 11 — 14. ЗО

Функциональный преобразователь работает следующим образом.

Потенциометры в аппроксимирующих элементах 6> — б„включены таким образом, что при перемещении подвижного контакта потенциомет- зс ра одного из аппроксимирующих элементов в одном направлении (например, в сторону цлны X) „ механически связанный с ним подвижный контакт потенциомегра этого же элемента перемещается в ту же сторону (a сторону шины лоложитель- <о ного опорного напряжения), а связанные с ним подвижные контакты потенциометров соседнего аппроксимирующего элемента перемещаются в противоположную сторону (в сторону шины Х и шины отрицательного опорного напряжения). 4s

Пусть требуется преобразовать входное напряжение х устройства в выходное напряжение у согласно непрерывной нелинейной функциональной зависимости у = f(x), (K x < х, О< у <у (фиг.2). Допустим, что пгсло k двоичных выход- у ных разрщ ов блока 2 аналого-цифрового преобразования равно двум. Разобьем отрезок (О,х„), к на котором определена функция, на и - 2 промежутков (на фиг.2 n = 2 = 4, для ясности

H3JIoIKaHHII npoMG TKH npHHIITM paBHbIMH) . Обоз начим длину промежутка, равную х /и, через h.

Проведем кусочно-линейную аппроксимацию функции f (x), располагая узлы аппроксимации в точках х = i h; i = 0,1, ..., n.

Аппроксимирующую функцию обозначим через Ц (х); >.1 (ih) =.. <(„, Элементом регулировки в предлагаемом функциональном преобразователе является пакет механически связанных между собой подвижных контактов потенциометров аппроксимирующих элементов 6, — 6„.

Число элементов регулировки равно n + 1, т.е. числу узлов аппроксимации. Каждый i-й элемент регулировки смещается при настройке схемы на величину 11, пропорциональную величине у; (направление смещения определяется знаком у; .

При (i-1)1> C х (Ъ (на i-м участке аппроксимации) схема обеспечивает реализацию линейной интерполяции между значениями у; g и у;, т.е.

Рассмотрим принцип реализации схемой формулы (1).

Отметим, что изменение величины q.„âëå÷åò за собой изменение крутизны одного (при i = О, i = n) или двух (во всех остальных случаях) участков аппроксимации. Если при этом изменяется крутизна двух участков, знаки ее приращений всегда различны.

Таким образом, каждый элемент регулировки должен изменять крутизну двух соседних участков аппроксимации (кроме первого и последнего элементов), С другой стороны, крутизна i-го участка аппроксимации определяется двумя величинами: у1 и у; . Следовательно, установка крутизны каждого участка. должна осуществляться с помощью двух элементов регулировки. При этом увеличение у; приводит к уменьшению крутизны i-го участка, а увеличение у;— к ее увеличению.

Формула (1) линейной интерполяции íà i-м участке может быть записана в виде: х х, y(x) = y., -y. (i-<)-y., — + y;— где первое и второе слагаемое пройорциональны только величинам y; g и у< соответственно, а третье и четвертое — цроизведеииям х- у1 и х у.;, причем коэффициенты пропорциональнос, ти только первых двух слагаемых зависят от номера участка аппроксимации.

В предлагаемом устройстве i-й участок аппроксимации (кроме первого) воспроизводится как сумма 4-х слагаемых, моделирующих слагаемые формулы (2). Для воспроизведения первого участка оказывается достаточным трех слагаемых. Слагаемое, пропорциональное только величине у1, здесь отсутствует; из (2) видно, что его коэффициент пропорциональности при i = 1 равен нулю.

674045

Переключение аппроксимирующих элементов 6,-6„при изменении входного напряжения х осуществляется блоком 2 аналого-цифрового преобразования, который изменяет свою выходную кодовую комбинацию в моменты, когда на. пряжение х достигает уровней ih { i = 1, 2, ..., n — 1). В исходном состоянии (при х = О) на выходе блока 2 присутствует нулевая кодовая комбинация, при этом возбуждена соответствующая шина дешифратора 3, соединенная с управляюшим о входом ключа 4 . Таким образом, в исходном состоянии схемы открыт только ключ 4,. При любом значении напряжения х возбуждена только одна выходная шина дешифратора 3 и, сле довательно. всегда открыт только один из ключей 4 — 4„. Шину дешифратора, возбужденную при (i = 1)h < х (ih, т.е. на i-м участке ап. проксимации, будем называть i-й шиной, à соответствующий ей ключ — i-м ключом. Через ключ 41 и масштабные резисторы 11т — 141 20 ко входу операционного усилителя 5 подключаются подвижные контакты потенциометров 71—

10, i-го аппроксимирующего элемента 6„

Подвижные контакты потенциометров L и 9i принадлежат (i — 1)-му элементу регули.ровки и смещены на величину, пропорциональную у;, а подвижные контакты потенциометров 8; и 10; принадлежат i-му элементу регулировки и смещены на величину, пропорциональную у1 . Следовательно, на выходе операционного усилителя 5 будет получено напряжение у=а > у,., +а,.у. +а .х 4,. +а . ху,. {3)

Знак и величина коэффициентов а 1 { = 1-4) определяются сопротивлениями масштабных резисторов 11; — 141, коэффициентом передачи операционного усилителя 5 и направлением смешения подвижных контактов потенциометров

7; -101 .

Формула (3) c точностью до коэффициейтов совпадает с формулой (2) линейной интерполяции. Должным выбором масштабных резисторов при описанном выше включении потенциометров и механическом объединении их подвижных кон- 4> тактов можно обеспечить пропорциональность соответствующих коэффициентов формул (2) и (3), т.е. воспроизводить функцию в том или ином масштабе.

Настройка функционального преобразователя производится следующим образом. Вначале все движки элементов регулировки установлены в среднее положение. В этоМ случае нри любом значении х на информационные входы ключей

4 — 4„подается нулевое напряжение и функци55 ональный преобразователь настроен на воспроизведение функции у = О. Далее с помощью нулевого элемента регулировки (потенциометры 7>, 9,)устанавливается значение ур. Параметры схе6 мы выбраны так, что при входном напряжении х, близком к величине h (но при котором на выходе блока 2 еще сохраняется нулевая кодо. вая комбинация), на информационный вход ключа 4,, и следовательно и на выход устройства, подается практически равное кулю напряжение. При этом устройством воспроизводится линейнйй участок {показан на фиг.2 штрих-пунктиром), начинающийся в точке (О, уо) и аканчиваюшийся в точке (h, 0).

Далее, подав на вход устройства напряжение х = h, при котором код на выходе блока

2 соответствует кодовой комбинации, открывающей ключ 42, с помощью первого элемента регулировки (потенциометры 8„7, и 9 ) устанавливают значение у,. После такой настройки устройство воспроизводит линейный участок, начинающийся в точке (О, уо) и оканчивающийся в точке (h,y ) (на фиг.2 показан пунктиром), и линейный участок, начинающийся в точке (x,y ) и оканчивающийся в точке (2h,Î) (на фиг. 2 показан штрих-пунктиром) В воспроизведении первого участка участвуют первый и второй аппроксиI мируюшие элементы 6, и 6„а его крутизна задается йотенциометром 8,.

Аналогичным образом устанавливаются узловые точки следующих участков аппроксимации..

Поскольку все исходные значения y; = О, установка величины у. в любом следующем узле аппроксимаI ции обеспечивает требуемую крутизну на i-м участке аппроксимации и такую крутизну на {i + 1)-м участке, что величина у. = О, 1+т

Последний и-й элемент регулировки (установка величины у„) содержит только два потенциометра 8„, 10, так как он обеспечивает требуюшееся и начальное значение и крутизну только одного и-го участка аппроксимации. По той же причине только два потенциометра 7> и 9, содержит и нулевой элемент регулировки.

Первый элемент регулировки {установка величины у ) содержит три потенциометра 8„7, 9, так как он участвует в регулировке трех величин: крутизны первого и второго участков и начального значения второго участка (при x = h). . Каждый из остальных элементов регулировки величины участвует в регулировке четырех величин — крутизны и начального значения {i-1)го участка, крутизны и начального значения(1-го) участка и поэтому содержит четыре потенциометра 81, 10;, 71+4и 91 .

Если требуется перестроить схему на воспроизведение другой функции, отличаюшейся от исходной только в одном i— - м узле аппроксимации, достаточно с помощью соответствующего элемента регулировки установить новое значение у.. Смещение подвижных контактов потен1 циометров обеспечит автоматическое измейение крутизны (i-1)-го и i-го участков, так что вос:М

Г>74045

7 Я производимая функция останется непрерывной масн>табных резисторах, которые соединены в с прежйими значейиям y; ;,«,>

«и и значейиями у у и т,>«, и с звезду, поЛклн»еннун> входа,«и к п>.дв>жньм новым значением у; . При этом панель управ- контактам нотенциол«етров, а узлом к инфорления схемой может быть выполнена в виде мационному входу соответствующего ключа, nåðcHcToMbt JIoK8pIoBblx координат, иа которой 5 вый и второй поте>«циометры включены между в точках ih осй абсциСС pa3Mе>це««1> движки эле- входом и вью«одом инвертора, а третии и четв рментов=регулировки, смещаемые по оси орди- тый лотеЫйометры — между шинами положинат, проградуированной в единицах у. Уйругая -тельного=и отрицательного опорных напряжении, нить, которой можно соединить движки; нагляд- первый аппроксимирующий элемент выполнен на т реализуемую схемой кусочно-ли- «О трех потенциометрах и трех масштабных резис* но"предс авит ре у у нейную апйроксимацию функ си ацию функции." " " горах которые "соединены в звезду, подключенПредложенное устройство, облаИая и сравно ную входам««к подвижным контактам цотенцинии с известными более простой структурой и ометров, а узлом к информационному входу перп1юцедурои ее перес «о" п рес двойки на воспройзведение вого ключа, первый и второй потенциометры пердругои функции, ф -, позволяет существенно сокра- 15 вого аппроксимйрующего элемента включены межтить затраты времени — « ни — „„и работе с аппаратурой ду входом и выходом инвертора, а третий потенсодержащей функциональные преобразователи, циометр — между шинами положительного и отулучШить ее технико-эконо и экономические и эксплу- рицательного напряжений, подвижные контакты атационные показатели. второго и четвертого потенциометров каждого

20 предыдущего по номеру аппроксимирующего элемента, кроме первого, соединены механичес ки с подвижными контактами первого и третьФормула изобретения его потенциометров следующего по номеру зли " п оксимирующего элемента, подвижный контакт, Функциональный преобразователь, содержа- прок ляется входом >5 второго йотейциойетра первого аппроксимирующещий ийвертор, вход которого является входом го элемента механически соединен с подвижныфункционального преобразователя, операционныи . ми контактами первого и третьего потенциометусилитель, выход которого является выходом в вто ого апп оксимирующего элемента,подфункционального преобразователя, блок аналого- ров p p рую б, о о соеди- вижные контакты первого и третьего поте«щиометцифрового преобразования, вход которого соединен со входом инвертора, дешифратор, входы коф тор входы ко-30 ров первого аппроксимирующего элемента соеди торого подключены к выходам лока аналогоро б палого- иены механически, подвижные контакты третьего цифрового преобразованйя, и ключеи, выходы " " и

= "" "" и четвертого потенциометров и-ro аппроксимикоторых подключены ко входу операциойного рующего элемента соединены Механически.

-- у «л геля, а управляющие входы — к соответ- Источники инф рм; р î ации принятые во внима-- усйлителя, а упр ствующим выходам дешифратора, отличающий- 35 ние при экспертизе ся тем, что, с цеяью упрощения структуры и 1. Гинсбург С. А, и др, Функциональные процедуры настроики на вос — -„ с — „„оизведение задан- преобразователи с аналого-цифровым представленой фуийцйй", 6н-содержит и аппроксимирующих нием информации, М., "Энергия", 1973, с. 44.элементов, каждый иэ которых, кроме первого, 2. Авторское свидетельство СССР У 525125Ä выполнен на четырех потенциометрах и четырех 40 кл. 6 06 6 7/26, 19

7/26 1976, 674045

Вхад х

Составитель Н. Балабошко .

Техред O. Андрейко . Корректор Т, Назарова

Редактор И. Лобач

Тираж 779 Подлисное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьпий

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

Заказ 4082/47, Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4