ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G06G7/26 

Изобретение может быть использовано в аналоговых, цифроаналоговых, специализированных устройствах и вычислительных машинах.

Широко известны функциональные преобразователи, построенные на замене исходной функции ломаной кривой (способ кусочно-линейной аппроксимации) (авт. св. N 100152, 273532, 568057, 781838, 1076917; патенты США N 3110802, 3506810; патент Англии N 1776961).

Кусочно-линейная аппроксимация в данных преобразователях осуществляется или на диодах, или, для устранения влияния характеристик диодов, на усилителях, в цепи обратной связи которых включаются диоды, или на стабилотронах, или на компараторах, соединенных с логическими элементами и ключами.

Выходное напряжение, в пределах каждого участка аппроксимирующей ломаной определяется выражением (Смолов В.Б. Диодные функциональные преобразователи. Энергия, 1967)

или выражениями (авт. св. N 1076917)

где n количество аппроксимированных отрезков;
K_n коэффициент, равный тангенсу угла наклона данного отрезка аппроксимации к оси абсцисс;
U_нач.н. напряжение начальной координаты.

К недостаткам функциональных преобразователей, реализующих выражения 1-3 следует отнести наличие для каждого аппроксимирующего отрезка своей схемы аппроксимации, содержащей нелинейный элемент (диод, стабилотрон, компаратор и т. д.) с набором радиоэлементов. Это приводит к увеличению не только масса-габаритных характеристик, но и к увеличению погрешности воспроизведения заданного нелинейного напряжения из-за разброса характеристик нелинейных элементов.

Из известных устройств функциональных преобразователей наиболее близким по технической сущности является преобразователь (авт. св. N 781838, кл. G 06 G 7/26).

Цель изобретения уменьшение габаритов при одновременном увеличении точности.

Данное устройство основано, как и прототип, на воспроизведении n независимых аппроксимирующих отрезков, согласно зависимостям 2 или 3, начало координат которых задается U_нач.п..

На фиг. 1 приведена принципиальная схема функционального преобразователя.

На этой схеме:
1 блок опорных напряжений для возрастающего напряжения. На его входе при возрастании входного напряжения формируется напряжение U_оп.п., при котором происходит переключение с одного аппроксимирующего отрезка на другой;
2 блок опорных напряжений для убывающего напряжения. На его входе при убывании входного напряжения формируется опорное напряжение U_оп.n-1, при котором происходит переключение с одного аппроксимирующего отрезка на другой;
3 блок задания коэффициента усиления входного сигнала;
4 блок задания напряжений начальной координаты;
5 и 6 -компараторы, соответственно для возрастающего и убывающего напряжений;
7 компаратор знака входного напряжения. Он выдает сигнал об изменении знака входного сигнала на блоки опорных напряжений, задания начальной координаты и блока смещения начальной координаты по входному сигналу;
8 и 9 элементы исключающие ИЛИ;
10 блок переключения опорных напряжений;
11 реверсивный счетчик. Он задает тот или иной адрес аппроксимирующего отрезка. Счетчик работает от тактовых импульсов при появлении на входах "+Σ" или "-Σ" сигнала разрешения. В зависимости от этого он увеличивает или уменьшает адрес.

12 суммирующий операционный усилитель, на выходе которого воспроизводится нелинейное напряжение;
13 блок смещения начальной координаты по входному сигналу (например, лифт, и т.п.).

Для воспроизведения заданного нелинейного напряжения исходную функцию заменяют ломаной кривой.

Кусочно-линейная аппроксимация может быть выполнена аналитическим или графическим путем в зависимости от требуемой точности. В результате расчета (графически) получают n, U_вх.n, U_оп.n, U_вых.n, K_n, U_нач.n, т.е. основные данные кусочно-линейной функции. Далее в блоках опорных напряжений задают соответствующие U_оп.n, при которых происходит переключение на другой аппроксимирующий участок воспроизводимой кривой, выставляют для каждого отрезка соответствующий коэффициент усиления в блоке 3 и напряжения начальной координаты в блоке 4 и т.д.

На фиг. 2,а и 2,б приведены схемы построения опорных блоков.

На фиг. 2,а: 14 перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ); 15 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Адресный вход ППЗУ 14 соединяется с выходом реверсивного счетчика 11. Программа ППЗУ составляется таким образом, чтобы каждому коду входного адреса соответствовало U_оп.n на выходе ЦАП.

На фиг. 2, б: 16.1-16n делители напряжений, при помощи которых выставляются опорные напряжения U_оп.n; 17 и 18 коммутаторы напряжений n входов в один, выходы которых соединены соответственно с компаратором возрастающего или убывающего входного напряжения.

Выход каждого из делителей 16.1-16n соединен с соответствующим входом 1, 2, n коммутатора 17. Одновременно выход делителя 16.1 соединен с вторым входом коммутатора 18, выход делителя 16.2 с третьим входом и т.д. выход делителя 16(n-1) со входом n коммутатора 18, вход 1 подсоединен к общей шине.

Рассмотрим работу схемы фиг. 1
Выставляют в блоках 1-4 согласно полученным данным напряжения U_оп.n, U_оп.n-1, U_нач.n и соответствующие коэффициенты усиления K_n. В момент t 0 приходит импульс сброса и на выходе реверсивного счетчика устанавливается нулевой адрес. При этом на выходе блока 1 будет U_оп.1 (например, 1b), на выходе блока 2 U_оп.0 0_b, блоке 3 выставляется коэффициент усиления K₁, равный тангенсу угла наклона первого участка аппроксимации. При изменении входного напряжения в пределах первого участка аппроксимации. например, 0 < U_вх < U_оп 1b, на выходе компараторов 5-7 будет 0, поэтому на выходе счетчика 11 будет сохраняться 0 адрес.

При дальнейшем возрастании входного напряжения, например, 1b≅U_вх<2b на выходе компаратора 5 появится 1 и на суммирующем входе счетчика появится 1. С приходом тактового импульса счетчик увеличит адрес на 1, который переключит адреса блоков 1, 2, 3, 4 на воспроизведение следующего отрезка. На входе блока 1 появится напряжение U_оп.2 (2b), а на выходе блока 2 соответственно U_оп.1 (1b) и т.д.

При необходимости воспроизведения однополярного нелинейного напряжения, можно сократить масса-габаритные характеристики, что особенно важно в специализированных вычислительных устройствах.

Принципиальная схема такого устройства приведена на фиг. 3
На фиг.3 1 блок опорных напряжений, где R₁-R_b делитель опорного напряжения; 19 коммутатор напряжения 8 _→ 1; 5 компаратор; 11 - счетчик; 3 блок задания коэффициентов усиления входного сигнала и напряжения начальной координаты, где R₉-R₁₆ резисторы, задающие коэффициент усиления в каждом из отрезков; R₁₇-R₂₃ резисторы, задающие напряжение начальной координаты U_нач.n для каждого отрезка; 20 коммутатор напряжения 8 -L 1; 12 суммирующий усилитель.

Работа данной схемы ничем не отличается от описанной выше схемы фиг. 1.

На фиг. 4 предложен вариант выполнения функционального преобразователя, в котором блок задания начальной координаты и блок задания коэффициентов усиления совмещены в один блок 21, в основу которого положена схема блока 3 на фиг. 3.

Изобретение может быть использовано в аналоговых, цифроаналоговых, специализированных устройствах и вычислительных машинах. Цель изобретения - уменьшение габаритов при одновременном увеличении точности. Функциональный преобразователь содержит два блока опорных напряжений, три компаратора, блок задания коэффициентов усиления, операционный усилитель, блок задания начальной координаты, блок смещения начальной координаты по входу, блок переключения опорных напряжений, два элемента - Исключающее ИЛИ и реверсивный счетчик. Преобразователь реализует заданную функциональную зависимость путем воспроизведения n независимых аппроксимирующих отрезков. Приведены варианты выполнения функционального преобразователя, в том числе для воспроизведения однополярного выходного напряжения. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Функциональный преобразователь, содержащий первый и второй блоки опорных напряжений, первый, второй и третий компараторы, блок задания коэффициентов усиления, выход которого соединен с входом операционного усилителя, выход которого является выходом преобразователя и через резистор обратной связи соединен с входом операционного усилителя, отличающийся тем, что он содержит блок смещения начальной координаты по входу, блок переключения опорных напряжений, блок задания начальной координаты, первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и реверсивный счетчик, при этом выход блока задания начальной координаты подключен к входу операционного усилителя, выход первого блока опорных напряжений подключен к первому входу первого компаратора, выход которого подключен к первому входу первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, выход второго блока опорных напряжений соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного счетным входом с тактовой шиной преобразователя, выход третьего компаратора соединен с вторыми входами первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, с управляющим входом блока переключения опорных напряжений и с первым входом блока смещения начальной координаты по входу, входы данных блока переключения опорных напряжений соединены с входами задания положительного и отрицательного опорных напряжений преобразователя, выход блока переключения опорных напряжений соединен с входами данных первого и второго блоков опорных напряжений, блока задания начальной координаты и с вторым входом блока смещения начальной координаты по входу, информационный вход функционального преобразователя соединен с третьим входом блока смещения начальной координаты по входу, первый выход которого подключен к входу данных блока задания коэффициентов усиления входного сигнала, к вторым входам первого и второго компараторов и первому входу третьего компаратора, второй вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй выход блока смещения начальной координаты по входу соединен с запрещающими входами блока задания начальной координаты, блока задания коэффициентов усиления входного сигнала и реверсивного счетчика, выход которого соединен с адресными входами первого и второго блоков опорных напряжений, блока задания начальной координаты и блока задания коэффициентов усиления входного сигнала. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый блок опорных напряжений содержит последовательно соединенные перепрограммируемое запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого соединен с входом данных блока, а выход является выходом блока, адресный вход перепрограммируемого запоминающего устройства является адресным входом блока. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок задания начальной координаты содержит последовательно соединенные перепрограммируемое запоминающее устройство и цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого соединен с входом данных блока, вход запрета с запирающим входом блока, а выход является выходом блока, адресный вход перепрограммируемого запоминающего устройства является адресным входом блока. 4. Функциональный преобразователь, содержащий блок опорных напряжений, компаратор и операционный усилитель, выход которого является выходом преобразователя и через резистор обратной связи соединен с входом операционного усилителя, отличающийся тем, что он содержит счетчик и блок задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала, выход которого подсоединен к входу операционного усилителя, выход блока опорных напряжений подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с тактовой шиной преобразователя, выход счетчика соединен с адресными входами блока опорных напряжений и блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала, информационный вход преобразователя соединен с вторым входом компаратора и входом данных блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала. 5. Функциональный преобразователь, содержащий первый и второй блоки опорных напряжений, первый, второй и третий компараторы, операционный усилитель, выход которого является выходом преобразователя и через резистор обратной связи соединен с входом операционного усилителя, отличающийся тем, что он содержит блок смещения начальной координаты по входу, блок переключения опорных напряжений, блок задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала, первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и реверсивный счетчик, при этом выход блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала подключен к входу операционного усилителя, выход первого блока опорных напряжений подключен к первому входу первого компаратора, выход которого подсоединен к первому входу первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, выход второго блока опорных напряжений соединен с первым входом второго компаратора, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного счетным входом с тактовой шиной преобразователя, выход третьего компаратора соединен с вторыми входами первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, управляющим входом блока переключения опорных напряжений и первым входом блока смещения начальной координаты по входу, входы данных блока переключения опорных напряжений соединены с входами задания положительного и отрицательного опорных напряжений преобразователя, выход блока переключения опорных напряжений соединен с входами данных первого и второго блоков опорных напряжений, входом опорного напряжения блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала и вторым входом блока смещения начальной координаты по входу, информационный вход функционального преобразователя соединен с третьим входом блока смещения начальной координаты по входу, первый выход которого подключен к входу данных блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала, вторым входам первого и второго компараторов и первому входу третьего компаратора, второй вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй выход блока смещения начальной координаты по входу соединен с запрещающими входами блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала и реверсивного счетчика, выход которого соединен с адресными входами первого и второго блоков опорных напряжений и блока задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала. 6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что блок задания начальной координаты и коэффициентов усиления входного сигнала содержит коммутатор и две группы делителей напряжения, входы делителей напряжения первой группы объединены и подключены к входу опорного напряжения блока, входы делителей напряжения второй группы объединены и подключены к входу данных блока, выходы одноименных делителей напряжения первой и второй групп попарно объединены и подключены к соответствующим информационным входам коммутатора, выход коммутатора является выходом блока, а его адресный вход и вход запрета являются соответственно адресным и запрещающим входами блока.