Функциональный преобразователь

 

(72) Автор изобретения А. В. Богословский

Киевский институт автоматики им. ХХУ съееда КПСС (71) Заявитель (54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники.

Известен функциональный преобразователь, содержащий генератор импульсов, многостабильную схему с устройством управления источники. опорного напряжения положительной и отрицательной полярности, генератор пилообразного напряжения положительной и отрицательной полярности, ключевые элементы, операционные усилители (1 ).

Однако, он имеет сложную настройку на заданную функциональную зависимость, и органы, определяющие результирующую характеристику взаимосвязаны.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является функциональный преобразователь, содержащий блок задания ординат, блок выходных усилителей и фильтров, многостабильный элемент, коммутатор ординат, выходы которого соединены со входами блока выходных усилителей и фильтров, информа:ционные входы — с выходами блока зада ния ординат,, а управляющие входы.— с выходами многостабильного элемента, широтно-импульсный модулятор, блок преобразования входного сигнала в гибридный код, вход которого является входом функционального преобразователя, аналоговый выход соединен со входом широтно-импульсного модулятора, цифровые выходы — с управляющими входами многостабильного элемента. Выход широт° но-импульсного модулятора соединен с уцравляюшим входом многостабильного элемента )2).

Однако он имеет относительно низкую точность воспроизведения. функций, поскольку в нем осуществляется линейная интерполяция между значениями функции, заданными в точках, равномерно расположенных по оси абсцисс.

Цель изобретения — повышение точности функционального преобразователя эа счет нелинейной интерполяции функции.

Это достигается тем, что функциональный преобразователь, содержащий блок,696490

55 задания ординат, многостабильный элемент, коммутатор ординат, информационные входы которого соединены с выходами блока задания ординат, управляющие входы - с выходами многостабильного элемента, а выходы — со входами блока буферных усилителей, широтно-импульсный модулятор, первый и второй входы которого через первый и второй входные масштабные резисторы соединены со входом функционального преобразователя, дополнительно содержит блок задания абсцисс, нелинейный интерполятор, .блок управления и коммутатор абсцисс, информационные входы которого соединены с выходами блока задания абсцисс, управляющие входЫ вЂ” с выходами многостабильного элемента, а выходы — с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора. Входы блока управления соединены с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора, прямой и инверсный выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам нелинейного интерполятора. Первый и второй управляющие входы многостабильного элемента соединены с выходами блока управления. Выходы блока буферных усилителей соединены с входами задания ординат нелинейного интерполятора, выход которого является выходом функционального преобразователя. Кроме того нелинейный интерполятор содержит время-импульсные проводимости, инвертор, операционные усилители, масштабные резисторы, ключ и сумматор, выход которого является выходом нелинейного интерполятора, первый вход соединен с выходом первого операционного усилителя, а второй вход — с выходом второго операционного усилителя. Между выходами первого операционного усилителя и инвертора включены последовательно соединенные первый и второй масштабные резисторы, общий вывод которых через ключ подключен ко входу третьего операционного усилителя. Выход третьего операционного усилителя через первую время. импульсную проводимость соединен со входом второго операционного усилителя.

Вход инвертора подключен к выходу чет- . вертого операционного усилителя, ко входу которого подключены третий и четвертый масштабные резисторы и выходы второй и третьей время-импульсных проводимостей. Свободный вывод третьего мас-, штабного резистора соединен со входом второй время-импульсной проводимости и является первым входом задания ординат нелинейного интерполятора. Вход первого операционного усилителя соединен с выходами четвертой и пятой время-импульс5 ных проводимостей, входы которых являются соответственно вторым и третьим входами задания ординат нелинейного интерполятора. Свободный вывод четвертого масштабного резистора соединен со IO входом третьей время-импульсной проводимости и является четвертым входом задания ординат нелинейного интерполятора. Управляющие входы ключа, второй

15 и четвертой время-импульсных проводимостей соединены и являются прямым управляющим входом нелинейного интерполятора. Управляющие входы первой, третьей и пятой время-импульсных проводимостей соединены и являются инверсным управляющим входом нелинейного интерполятора.

На фиг. 1 приведена структурная схема функционального преобразователя, на фиг. 2 — принципиальная схема нелинейного интерполятора, на фиг. 3 — диаграммы, поясняющие работу нелинейного интерполятора.

Функциональный преобразователь содержит блок задания абсцисс 1, блок задания ординат 2, нелинейный интерполятор 3, коммутатор абсцисс 4, коммутатор ординат 5, многостабильный элемент

6, блок управления 7, широтно-импульс35 ный модулятор 81 . блок буферных усилителей 9, первый и второй входные резисторы 10 и ll. Нелинейный интерполятор

3 содержит сумматор 12, инвертор 13, первый и второй масштабные резисторы

40 14. и 15, ключ 16, первый, второй, третий и четвертый операционные усилители

17-20 третий и четвертый масштабные резисторы 21 и 22, первую, вторую, третью, четвертую и пятую время-им45 пульсные проводимости 23-27.

Функциональный преобразователь работает следующим образом.

Процедура вычисления функции у = f(x}, заданной координатами узлов интерполя5О ции х„ц; (< =1,2,... и }, которые хранятся в блоках задания абсцисс 1 и ординат 2 сводится к следующему: а) определяется участок интерполяции иэ условия

X;(Х cХ+1 б) определяется величина у1 соответствующая линейной интерполяции на выбранном участке Х; — к;+1

696490. где (Х- Х1)(Х вЂ” X) 20

Ч1 х1+1™)+9+1(х xi)

%i = x - x.

1+1 1 в) определяется величина ц, соответствующая линейной интерполяции на 5 расширенном участке х; - х;„

Этот участок состоит из трех элементарных участков. В середине этого расширенного участка расположен "узкий" участок интерполяции по пункту б)

1О

Ч1-1("14 а ")+ Ф+г.(" х1-))

Ч г) определяется разность

Ч = Ч) Чз д) формируется нелинейная поправка нп=й е) формируется результирующее значение функции f. (x) с учетом нелиней25 ной поправки 3 = Ч1+ 3E4)E

Использование вышеизложенной процедуры обеспечивает интерполяцию функции l (х) на соответствующем участке

30 полиномом третьей степени. При этом ис- . ходной информацией служат только координаты узлов интерполяции. Сущность аппаратурной реализации рассмотренного метода интерполяции заключается в использовании двухступенчатой коммутации.

3S

Первая ступень коммутации обеспечивает определение участка, соответствующего входной величине — аргументу функции Х, Вторая ступень коммутации обеспечивает, . 40 нелинейную интерполяцию с использованием ип1ротно-импульсной модуляции.

Напряжение, пропорциональное аргументу х моделируемой функции, подается на вход Х. Токи <х)обусловленные этим напряжением, через входные резисторы 10, 1 1 поступают на входы блока управления

7. На те же входы поступают токи 1 и 1„от коммутаторе абсцисс 4. Выбор токов, поступающих на входы Х и K определяется состоянием многостабильного элемента 6. Многостабильный элемент 6 построен так, что управляющий потенциал, включающий ключевые элементы, входящие в коммутаторы 4 и 5 может быть только на одном его выходе. Например, при появлении управляющего потенциала на выходе 1-2 многостабильного элемента 6 включаются ключи коммутатора абсцисс 4, соединяющие Х с

X и Х с Х и ключи коммутатора ординат 5, соединяющие ц с 1)1, ц, с

g с Ч; у, с о,, Соединения реализуемые при других состояниях многастабильного элемента 6, указаны в соответствуюшихстолбиах таблицы соединений на фиг. 1. Управляющие входы многостабильного элемента 6 соединены с управляющими выходами блока управления 7. При наличии сигнала П (прибавить) многостабильный элемент 6 переходит из состояния 1-2 в состояние

2-3 или из состояния 2-3 в .состояние

3-4. При наличии сигнала ) (убавить) многостабильный элемент 6 переходит из состояния 3 4 всостояние 2-3 или изсостоя ния 2-3 в состояние 1-2. Переход из состояния 1-2 в состояние 3-4 и переход из состояния 3-4 в состояние 1-2 исключается путем введения временной задержки. Блок управления 7 вырабатывает сигнал П, если ток i с выхода хв, меньше по величине тока 1„и ток t хс с выхода к меньше тока

Под действием сигнала П многостабильный элемент 6 переходит в ново соседнее состояние, при котором один из токов 1 или 1, возрастает. Если при кв этом окажется, что суммарные токи, поступающие на входы блока управления 7 будут иметь разные знаки, то состояние многостабильного элемента 6 сохранится неизменным. Если же ток 1„больше х одновре енн то 1ХС боше1Х) на выходе блока управления 7 формируется сигнал У) под действием которого многостабильный элемент 6 переходит в новое с.к:тояние, при котором один из то кь или 1К0 у

Таким образом, переключение многостабильного элемента 6 происходит до тех пор, пока ЕЕе будет выполнено одно из неРавенств 1К С 1„. С 1КС

Кф

> 1, которые определяют кв. х ХС выбор участка интерполяции. Разностные токи i — 1, и

Х Ке х ХС поступают на входы широтно-импульсного модулятора 8.

На его прямом и инверсном выходах формируются сигналы 8 и IB относительная продолжительность которых равна

Эти сигналы испол) зуются для управления время-импульсными проводимостями

2 3 ф 27 ключом 1 6 нелинейного и нтер7

696490 полятора 3. Блок буферных усилителей 9 предназначен для согласования выходов коммутатора ординат 5 с входами задания ординат ц ц,ц, ц нелинейного интерполятора 3. На вход первого операционного усилителя 17 через четвертую и пятую время-импульсные проводимости

26,27 поступают сигналы Ч, и соответствующее ординатам узлов интерполяции выбранного участка. Выходное напряжение этого усилителя будет равно

Уьс Чв @ +9ñ что соответствует линейной интерполяции между узлами о и с (фиг. 3). Сигналы

8 и 8 используются для управления второй и третьей время-импульсными проводимостями 24, 25, установленными во входных цепях четвертого операционного усилителя 20, который формирует напряжение нд„1,соответствующее линейной интерполяции функции в расширенном интервале (фиг. 3). Х =Х,->

Для формирования некоммутируемых

"" -ц" Зуд

f служат третий и четвертйй масштабные резисторы 21 22.

Зо ное напряжение функционального преобразователя (фиг. 3) ц = Цвс + Ц„п

Переход. с одного участка на другой можно осуществлять путем замены всех параметров узлов интерполяции на соответствующие параметры узлов интерполяции с номером на единицу большим, если переход происходит на участок справа или на единицу меньшим, если переход происходит на участок слева. При таком построении схемы переход с участка на участок приводит к скачкообразному изменению 8 от 1 до О или от О до 1 и сопровождается перезарядом ряда конденсаторов.

Это связано с ухудшением частотной характеристики функционального преобразователя. В предлагаемом функциональном преобразователе переключение переменных осуществляется так, что на границе участ ка интерполяции изменяется не 8 а

d8 ее производная — Такое построение дк ускоряет течение переходных процессов и способствует расширению полосы пропускания. Благодаря нелинейной интерполяции воспроизводимой функции предлаг гаемый функциональный преобразователь имеет более высокую точность по сравнению с прототипом, при равных аппаратурных затратах, и позволяет упростить процедуру настройки на воспроизведение заданной функции за счет сокращения количества узлов аппроксимации.

Напряжение н подается на вход инвер- З5 тора 13, на выходе которого получается напряжение, равное по величине и противоположное по знаку напряжениюу

Ток f и ток -1 d суммируются с помо40 щью первого н второго суммирующих резисторов 14, 15 на входе ключа 16..

Ток в пропорционален напряжению у ток-1 непропорционален напряжению — у

Ключ 16 управляет сигналом Я поэто45 му среднее напряжение на выходе третьего операционного усилителя 19 будет пропорционально величине(ц - Q gIh 8

Это напряжение через первую времяимпульсную проводимость 23, управляемую

50 сигналом О, подается на вход второго операционного усилителя 18, на выходе которого формируется напряжение нелинейной поправки q. = (ц — g ) Я В, Напряжение Ч с выхода йервого опера55 ционного усилителя 17 и напряжение у„„ с выхода второго операционного усилителя 18 подаются на входы сумматора 12, на выходе которого формируется выходФормула изобретения

1. Функциональный преобразователь, содержащий блок задания ординат, многостабильный элемент, коммутатор ординат, информационные входы которого соединены с выходами блока задания ординат, управляющие входы — с выходами многостабильного элемента, а выходы — со входами блока буферных усилителей, широтно-импульсный модулятор, первый и второй входы которого через первый и второй входные масштабные резисторы соединены со входом функционального преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности за счет нелинейной интерполяции функции, он содержит блок задания абсцисс, нелинейный интерполятор, блок управления и коммутатор абсцисс, информационные входы которого соединены с выходами блока задания абсцисс, управляющие входы — с выходами многостабнльного элемента, а выходы — с пер9

696490 вым и вторым входами широтно-импульсного модулятора, входы блока управления соединены с первым и вторым âõîдами широтно-импульсного модулятора, прямой и инверсный выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам нелинейного интерполятора, первый и второй управляющие входы многостабильного элемента соединены с выходами блока управления, выходы блока буферных усилителей соединены с âõîдами задания ординат нелинейного интерполятора, выход которого является выходом функционального преобразователя.

2. Функциональный преобразователь поп.1, отличающийся тем, что нелинейный интерполятор содержит время-импульсные проводимости, инвертор, операционные усилители, масштабные резисторы, ключ и сумматор, выход которого является выходом нелинейного интерполятора, первый вход соединен с выходом первог операционного усилителя, а второй вход — с выходом второго операционного усилителя, между выходами первого операционного. усилителя и инвертора включены последовательно соединенные первый и второй масштабные резисторы, общий вывод которых через ключ подключен ко входу третьего операционного усилителя, выход третьего операционного усилителя через первую времяимпульсную проводимость соединен со входом второго операционного усилителя, вход инвертора подключен к выходу четвертого операционного усилителя, ко входу которого подключены третий и четвертый масштабные резисторы и выходы второй и третьей время-импульсных проводимостей, свободный вывод третьего масштабного резистора соединен со входом второй время-импульсной проводимости и является первым входом задания ординат нелинейного иптерполятора, вход первого операционного усилителя соединен с вы1 О ходами четвертой и пятой время-импульсных проводимостей, входы которых являются соответственно вторым и третьим sxoдами задания ординат нелинейного интерполятора, свободный вывод четвертого масштабного резистора соединен с входом третьей время-импульсной проводимости и является четвертым входом задания ординат нелинейного интерполятора, управляющие входы ключа, второй и четвертой время-импульсных проводимостей соединены и являются прямым управляющим входом нелинейного интерполятора, управляющие входы первой, третьей и

25 пятой время-импульсных проводимостей соединены и являются инверсным управляющим входом нелинейного интерполятоИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Пухов Г. Е. Справочник по аналоговой вычислительной технике, К., Техника, 1975, с. 197, рис. 3.47.

2. Кори Г., Кори Т., "Электронные аналоговые и аналого-Gngpoabie вычислительные машины, т. 2, М., Мир, 1968, с. 217,, фиг. 11.31б (прототип).

696490

Xg X5 A gс Яц

Фиг.5

Составитель Балабошко

Редактор А. ВиноградовТехред Л. Алферова Корректор А. Гринденко

Заказ 6770/51 Тираж 780 Подпис ное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рау|пская наб„д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород„ул. Проектная, 4