УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК H03M5/08 G06F17/17 

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в телеметрических информационно-измерительных системах и вычислительно-управляющих комплексах.

Известно устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов [1], функциональное кодирование в котором базируется на методах сквозной аппроксимации.

Устройство [1] содержит шесть преобразователей код-частота, два блока вычитания, два элемента И, элемент ИЛИ, три реверсивных счетчика, информационный вход, шесть входов опорных частот, шину кода масштаба и выход.

Недостатком устройства [1] являются сложность, обусловленная наличием блоков вычитания, и его ограниченные функциональные возможности из-за большого количества зависимых коэффициентов аппроксимации.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов [2], которое и выбрано в качестве прототипа. По сравнению с устройством [1] прототип обладает более широкими функциональными возможностями и является более простым устройством.

В состав прототипа входят первый, второй, третий и четвертый преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, коммутатор, информационный вход, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы опорных частот, вход задания кода масштаба и выход устройства, причем вычитающие входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с выходами второго и четвертого преобразователей код-частота, а частотные входы второго и третьего преобразователей код-частота являются соответственно шестым и пятым входами опорных частот устройства, первый и второй разряды первого информационного входа коммутатора являются соответственно первым и третьим входами опорных частот устройства, а первый и второй разряды второго информационного входа коммутатора являются соответственно вторым и четвертым входами опорных частот устройства, информационный вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, третьи разряды первого и второго информационных входов которого соединены соответственно с выходами второго и третьего преобразователей код-частота, кодовый вход третьего преобразователя код-частота объединен с входом задания кода масштаба устройства и с кодовым входом первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика, а частотные входы первого и четвертого преобразователей код-частота соединены соответственно с выходами первого и второго разрядов коммутатора, выход третьего разряда которого соединен с входом сложения второго реверсивного счетчика. Кроме того, выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены с кодовыми входами второго и четвертого преобразователей код-частота, причем выход второго реверсивного счетчика является выходом устройства.

Прототип [2] реализует функциональное преобразование широтно-импульсных сигналов в соответствии с характеристикой, содержащей рациональную дробь относительно аргумента Θ

где f₀₁, f₀₂, f₀₃, f₀₄, f₀₅, f₀₆ - импульсные последовательности опорных частот;

N - код масштаба;

Θ - относительная длительность широтно-импульсного сигнала.

Благодаря этому может быть воспроизведен широкий набор аппроксимируемых функций.

Недостатком прототипа [2] является длительное время выхода в установившийся режим.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является сокращение времени выхода устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов в установившийся режим.

Техническим результатом является повышение быстродействия устройства при повышении точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов, содержащее первый, второй, третий и четвертый преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, коммутатор, информационный вход, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы опорных частот, вход задания кода масштаба и выход устройства, причем вычитающие входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с выходами второго и четвертого преобразователей код-частота, а частотные входы второго и третьего преобразователей код-частота являются соответственно шестым и пятым входами опорных частот устройства, первый и второй разряды первого информационного входа коммутатора являются соответственно первым и третьим входами опорных частот устройства, а первый и второй разряды второго информационного входа коммутатора являются соответственно вторым и четвертым входами опорных частот устройства, информационный вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, третьи разряды первого и второго информационных входов которого соединены соответственно с выходами второго и третьего преобразователей код-частота, кодовый вход третьего преобразователя код-частота объединен с входом задания кода масштаба устройства и с кодовым входом первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика, а частотные входы первого и четвертого преобразователей код-частота соединены соответственно с выходами первого и второго разрядов коммутатора, выход третьего разряда которого соединен с входом сложения второго реверсивного счетчика, введены два регистра, кодовые входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго реверсивных счетчиков, входы разрешения записи объединены с информационным входом устройства, а выходы соединены соответственно с кодовыми входами второго и четвертого преобразователей код-частота, причем выход второго регистра является выходом устройства.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов с повышенным быстродействием реализации итерационного метода выполнения оператора усреднения за счет использования запоминающей обратной связи при организации трехканального частотного коммутирования импульсных потоков и функционального обобщения процесса преобразования кода в частоту, как для цепи обратной связи местного контура, так и для цепи прямой связи главного контура.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображена функциональная схема устройства, а также таблицей, где приведены результаты минимаксных аппроксимаций для ряда элементарных функций.

Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов содержит первый, второй, третий и четвертый преобразователи код-частота 1-4, первый и второй реверсивные счетчики 5, 6, коммутатор 7, информационный вход 8, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы опорных частот 9-14 устройства, вход задания кода масштаба 15, выход 16 и два регистра 17, 18, причем вычитающие входы первого 5 и второго 6 реверсивных счетчиков соединены соответственно с выходами второго 2 и четвертого 4 преобразователей код-частота, а частотные входы второго 2 и третьего 3 преобразователей код-частота являются соответственно шестым 14 и пятым 13 входами опорных частот устройства, первый и второй разряды первого информационного входа коммутатора 7 являются соответственно первым 9 и третьим 11 входами опорных частот устройства, а первый и второй разряды второго информационного входа коммутатора 7 являются соответственно вторым 10 и четвертым 12 входами опорных частот устройства, информационный вход 8 которого соединен с управляющим входом коммутатора 7, третьи разряды первого и второго информационных входов которого соединены соответственно с выходами второго 2 и третьего 3 преобразователей код-частота, кодовый вход третьего преобразователя код-частота 3 объединен с входом задания кода масштаба 15 устройства и с кодовым входом первого 1 преобразователя код-частота, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика 5, а частотные входы первого 1 и четвертого 4 преобразователей код-частота соединены соответственно с выходами первого и второго разрядов коммутатора 7, выход третьего разряда которого соединен с входом сложения второго реверсивного счетчика 6, причем кодовые входы регистров 17 и 18 подключены соответственно к выходам первого 5 и второго 6 реверсивных счетчиков, входы разрешения записи регистров 17 и 18 объединены с информационным входом устройства 8, выходы соединены соответственно с кодовыми входами второго 2 и четвертого 4 преобразователей код-частота, а выход второго регистра 18 является выходом 16 устройства.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени реверсивные счетчики 5, 6 и регистры 17, 18 находятся в нулевом состоянии. На вход 15 подается код масштаба N, на вход 8 - широтно-импульсный сигнал (ШИМ-сигнал) с относительной длительностью Θ , а на входы 9-14 - соответственно импульсные последовательности опорных частот f₀₁, f₀₂, f₀₃, f₀₄, f₀₅, f₀₆. Преобразователи 1-4 код-частота осуществляют линейное преобразование кода в частоту, то есть вырабатывают импульсные последовательности с частотами, средние значения которых пропорциональны соответствующим управляющих кодам, и могут быть выполнены в виде двоичных умножителей частот с динамическим частотным выходом.

На первый и второй разряды первого информационного входа D₁ коммутатора 7 поступают соответственно импульсные последовательности опорных частот f₀₁, f₀₃. Нулевое состояние регистра 17 приводит к отсутствию импульсов на выходе преобразователя код-частота 2 и, следовательно, к их отсутствию на третьем разряде первого информационного входа D₁. На аналогичные разряды второго информационного входа D₂ коммутатора 7 поступают соответственно импульсные последовательности опорных частот f₀₂, f₀₄ и последовательность импульсов с выхода преобразователя код-частота 3.

С появлением первого широтно-импульсного сигнала на входе управления V коммутатора 7 импульсные последовательности опорных частот f₀₁, f₀₃ появляются на его выходах, что приводит к срабатыванию преобразователя код-частота 1 и, как следствие этого, появлению импульсной последовательности на суммирующем входе реверсивного счетчика 5. На выходе преобразователя код-частота 4 импульсная последовательность не формируется, что обусловлено нулевым состоянием регистра 18.

По окончании действия первого широтно-импульсного сигнала на входе управления V коммутатора 7 на его выходах появляются импульсные последовательности опорных частот f₀₂, f₀₄, а также импульсная последовательность с выхода преобразователя код-частота 3. Это приводит к изменению входного сигнала на частотном входе преобразователя код-частота 1 и, как следствие этого, изменению импульсной последовательности на суммирующем входе реверсивного счетчика 5, а также к появлению импульсной последовательности на суммирующем входе реверсивного счетчика 6. На выходе преобразователя код-частота 4 импульсная последовательность не формируется, что обусловлено нулевым состоянием регистра 18.

Следующий широтно-импульсный сигнал обеспечивает запись содержимого счетчиков 5 и 6 в регистры 17 и 18 соответственно. Под воздействием ненулевого кода, снимаемого с регистра 17, на выходе преобразователя код-частота 2 формируется импульсная последовательность, поступающая непосредственно на вычитающий вход реверсивного счетчика 5. Единичное значение широтно-импульсного сигнала на входе управления V коммутатора 7 обеспечивает также пропускание импульсных последовательностей опорных частот f₀₁, f₀₃ и импульсной последовательности с выхода преобразователя код-частота 2 на выходы коммутатора. Первая импульсная последовательность поступает на частотный вход преобразователя код-частота 1, воздействуя на счетчик 5 по суммирующему входу. Вторая импульсная последовательность поступает на частотный вход преобразователя код-частота 4, воздействуя на счетчик 6 по вычитающему входу. Третья последовательность поступает непосредственно на суммирующий вход счетчика 6.

По окончании действия этого широтно-импульсного сигнала на входе управления V коммутатора 7 на его выходах появляются импульсные последовательности опорных частот f₀₂, f₀₄, а также импульсная последовательность с выхода преобразователя код-частота 3. Появление на выходе коммутатора первой импульсной последовательности вызывает изменение входного сигнала на частотном входе преобразователя код-частота 1 и, как следствие этого, изменение импульсной последовательности на суммирующем входе реверсивного счетчика 5. Также изменяется импульсная последовательность на частотном входе преобразователя код-частота 4, что приводит к изменению импульсной последовательности на вычитающем входе реверсивного счетчика 6, импульсная последовательность на суммирующем входе которого также изменяется благодаря коммутации на его вход импульсной последовательности с выхода преобразователя код-частота 3.

С приходом следующего широтно-импульсного сигнала процесс работы устройства повторяется аналогичным образом, и при достижении равенства числа импульсов за период следования ШИМ-сигнала, поступающих на суммирующий и вычитающий входы обоих реверсивных счетчиков, устройство переходит в режим динамического равновесия, при котором выходной код регистра 18 соответствует требуемому результату.

В основу построения устройства положен итерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы с запоминающей обратной связью и автоматической компенсацией коммутируемых в трех каналах опорных и вырабатываемых частотных потоков, с периодической фиксацией последних в контурах обратной связи в течение периода ШИМ-сигнала, благодаря чему создается возможность ускорения процесса функционального преобразования широтно-импульсных сигналов для вычисления элементарных функций.

В качестве схемы сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования, в контуре запоминающей обратной связи используется реверсивный счетчик 6, с помощью которого осуществляется, во-первых, суммирование частот, во-вторых, вычитание, и в-третьих, интегрирование полученной разности с выдачей результата в виде двоичного кода на регистр 18 в конце периода ШИМ-сигнала. Кроме главного контура запоминающей отрицательной обратной связи на основе счетчика 6 и регистра 18, здесь имеется дополнительный контур на основе реверсивного счетчика 5 и регистра 17.

Условием динамического равновесия устройства является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода следования ШИМ-сигнала аргумента, т.е. равенства средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующие и вычитающие входы реверсивных счетчиков.

В соответствии с функциональной схемой предложенного устройства на суммирующий вход реверсивного счетчика 5 поступает импульсная последовательность со средней частотой

а на его вычитающий вход -

где N_c - выходной код, снимаемый с регистра 17,

n - разрядность преобразователей код-частота.

Из условия динамического равновесия реверсивного счетчика 5

имеем

или

На суммирующий вход реверсивного счетчика 6 поступает импульсная последовательность со средней частотой

а на его вычитающий вход -

где N_z - выходной код, снимаемый с регистра 18.

Из условия динамического равновесия реверсивного счетчика 6

имеем

откуда

С учетом выражения (1) получаем функциональную характеристику устройства

В рассмотренном устройстве имеются два последовательно соединенных контура с запоминающей обратной связью.

Выходной код в регистре дополнительного контура запоминающей обратной связи в конце каждого периода ШИМ-сигнала определяется кодом, зафиксированным в этом регистре на конец предыдущего периода и значениями сигналов, поступающих на входы устройства.

Выходной код в регистре главного контура запоминающей обратной связи в конце каждого периода ШИМ-сигнала определяется кодами, зафиксированными в регистрах как главного, так и дополнительного контуров на конец предыдущего периода, и значениями сигналов, поступающих на входы устройства.

Последовательность состояний устройства в процессе работы описывается системой уравнений

Исследование динамических характеристик переходного процесса будем производить отдельно для дополнительного контура запоминающей обратной связи, а затем анализировать характеристики переходного процесса в главном контуре, опираясь на полученные конечные результаты работы дополнительного контура обратной связи.

При этом длительность выхода устройства в установившийся режим будет определена суммой длительностей переходных процессов в дополнительном и главном контурах запоминающей обратной связи, что является наихудшим предполагаемым случаем. Реально переходные процессы в обоих контурах происходят пошагово-параллельно, а значит, быстрее.

После первого периода работы устройства код, зафиксированный в регистре 17 с выходов реверсивного счетчика 5, определится следующим образом

где N_{c 0} - начальное значение выходного кода, снимаемое с регистра 17,

Определив k₁=f₀₁/2ⁿ, k₂=f₀₂/2ⁿ, k₆=f₀₆/2ⁿ, получаем равенство

упрощая которое имеем

После второго периода работы устройства в регистре 17 будет сформирован код, описываемый равенством

Подставляя равенство (3) в (2), имеем

и, раскрывая скобки, получаем

Код, сформированный реверсивным счетчиком 5 и зафиксированный в регистре 17 по окончании третьего периода работы устройства, определяется равенством

подставляя в которое равенство (4), получаем

По окончании i-го периода работы в регистре 17 будет зафиксирован код

Второе слагаемое этого выражения характеризуется геометрической прогрессией с основанием q=1-k₆ и может быть представлено суммой

Таким образом, код на регистре дополнительного контура запоминающей обратной связи в произвольный период t определяется как

Коэффициент k₆ находится в следующем диапазоне 0<k₆≤_{1, благодаря тому что для корректной работы преобразователя код-частота количество импульсов опорной частоты f06 за период следования ШИМ-сигнала не превышает 2ⁿ. Из приведенного неравенства следует, что (1-k6)^t-1 стремится к нулю, то есть}

Используя последнее равенство, а так же равенство N_{c 0}=0, получаем передаточную характеристику дополнительного контура цепи запоминающей обратной связи в установившемся режиме

Время выхода в установившийся режим части устройства, замкнутой цепью обратной связи дополнительного контура, зависит от того, как быстро величина (1-k₆)^t-1 стремится к 0 и, следовательно, обратно пропорциональна разрядности устройства n.

Для анализа характеристик переходного процесса в главном контуре обратной связи используем конечный результат работы дополнительного контура, когда N_c=const, что является допустимым благодаря сходимости числового ряда, образованного последовательностью состояний кода в регистре 17.

После первого периода работы устройства код, зафиксированный в регистре 18 с выходов реверсивного счетчика 6, определится следующим образом

где N_{z 0} - начальное значение выходного кода, снимаемое с регистра 18.

Определив k₃=f₀₃/2ⁿ, k₄=f₀₄/2ⁿ, k₅=f₀₅/2ⁿ, получаем равенство

упрощая которое, имеем

Для сокращения последующих выражений используем подстановку и , благодаря чему имеем

После второго периода работы устройства в регистре 18 будет сформирован код, описываемый равенством

Подставляя равенство (6) в (7), имеем

упрощая которое, получаем

Код, сформированный реверсивным счетчиком 6 и зафиксированный в регистре 18 по окончании третьего периода работы устройства, определяется равенством

подставляя в которое равенство (8), получаем

или

По окончании i-ого периода работы в регистре 17 будет зафиксирован код

Второе слагаемое этого выражения характеризуется геометрической прогрессией с основанием В=(1-k₄(l-Θ )-k₃Θ_{) и может быть представлено суммой}

Таким образом, код на выходе устройства в произвольный период m определяется как

Учитывая, что на значения k₃ и k₄ накладываются такие же ограничения как и на коэффициент k₆, можно записать следующие неравенства 0<k₃≤_{1, 0<k4≤1. Учитывая, что 0<Θ ≤ 1 и, следовательно 0<(1-Θ )≤ 1, имеем 0<k3Θ≤1, и 0<k4(1-Θ )≤ 1, откуда получаем}

Таким образом, в установившемся режиме передаточная характеристика местного контура цепи запоминающей обратной связи устройства с учетом N_{z 0}=0 будет иметь вид

подставляя в последнее равенство (5), имеем

или

Время выхода в установившийся режим части устройства, замкнутой цепью обратной связи главного контура, зависит от того, как быстро величина (k₄(1-Θ )-k₃Θ_{)^m-l стремится к 0 и, следовательно, обратно пропорционально разрядности устройства.}

При использовании регистра в процессе осуществления режима динамического равновесия при выполнении соответствующих точностных характеристик в преобразователе не требуется предусматривать дополнительную разрядность для пренебрежения пульсациями выходного кода.

Таким образом, быстродействие главного контура с регистром в цепи обратной связи выше, так как для него значения k₄ и k₃ меньше из-за отсутствия дополнительных разрядов.

В результате для одних и тех же опорных частот, определяемых коэффициентами аппроксимирующего выражения, устройство с запоминающими обратными связями, реализованными как дополнительном, так и в главном контуре, будет иметь меньшую разрядность и характеризоваться более высоким быстродействием.

Предлагаемое устройство обладает широкими функциональными возможностями. В таблице приведены результаты минимаксных аппроксимаций для ряда элементарных функций, воспроизводимых предложенным устройством для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 1203535.

Устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов/ И.В.Герасимов. - Опубл. 1986, Бюл. №1. MKИ: G 06 F 15/31.

2. Патент РФ №2006935 на изобретение “Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов”/ Е.П.Угрюмов, Башарьяр Азизулла. - Опубл. 1994, Бюл. №2. MПK: G 06 F 15/31.

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в информационно-измерительных системах и вычислительно-управляющих комплексах. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства при повышении точности преобразования. Указанный результат достигается за счет того, что устройство, содержащее выход, шесть входов опорных частот, вход кода масштаба и информационный вход, содержит четыре преобразователя код-частота, два реверсивных счетчика, два регистра и коммутатор. 1 ил., 1 табл.

Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов, содержащее первый, второй, третий и четвертый преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, коммутатор, информационный вход, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы опорных частот, вход задания кода масштаба и выход устройства, причем вычитающие входы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с выходами второго и четвертого преобразователей код-частота, а частотные входы второго и третьего преобразователей код-частота являются соответственно шестым и пятым входами опорных частот устройства, первый и второй разряды первого информационного входа коммутатора являются соответственно первым и третьим входами опорных частот устройства, а первый и второй разряды второго информационного входа коммутатора являются соответственно вторым и четвертым входами опорных частот устройства, информационный вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, третьи разряды первого и второго информационных входов которого соединены соответственно с выходами второго и третьего преобразователей код-частота, кодовый вход третьего преобразователя код-частота объединен с входом задания кода масштаба устройства и с кодовым входом первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика, а частотные входы первого и четвертого преобразователя код-частота соединены соответственно с выходами первого и второго разрядов коммутатора, выход третьего разряда которого соединен с входом сложения второго реверсивного счетчика, отличающееся тем, что в устройство введены два регистра, кодовые входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго реверсивных счетчиков, входы разрешения записи объединены с информационным входом устройства, а выходы соединены соответственно с кодовыми входами второго и четвертого преобразователей код-частота, причем выход второго регистра является выходом устройства.