УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОДИРОВАНИЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК H03M7/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при нелинейном преобразовании широтно-импульсных сигналов в код.

Известно устройство для воспроизведения функций, выполняющее функциональное кодирование на основе метода сквозной аппроксимации [1]. Это устройство ориентировано на обработку входного ШИМ-сигнала в следящем режиме, обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения принципа усреднения импульсных потоков.

Устройство [1] содержит три реверсивных счетчика импульсов, четыре преобразователя код-частота, два сумматора-вычитателя кодов, два элемента И, элемент НЕ.

Недостатком устройства [1] являются его сложность, обусловленная наличием сумматоров-вычитателей кодов, и значительная методическая погрешность, определяемая аппроксимирующим выражением.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов [2], которое и выбрано в качестве прототипа. По сравнению с устройством [1] реализует функциональное кодирование с более высокой точностью.

В состав прототипа входят два преобразователя код-частота, два элемента И, три реверсивных счетчика, элемент ИЛИ, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены с первыми входами первого и второго элементов И соответственно, выходы которых подключены к суммирующим входам первого и второго реверсивных счетчиков соответственно, а второй вход первого элемента И является информационным входом устройства, первый вход которого соединен с частотным входом первого преобразователя код-частота. Кроме того, прототип содержит четыре преобразователя код-частота и два блока вычитания, причем частотные входы второго, третьего, четвертого, пятого и шестого преобразователей код - частота соединены соответственно с третьим, вторым, четвертым, пятым и шестым входами устройства, а выходы третьего, четвертого и шестого преобразователей соединены соответственно с вычитающими входами первого, второго и третьего реверсивных счетчиков, выход пятого преобразователя код - частота соединен со вторым входом элемента ИЛИ, первый и третий входы которого соединены соответственно с вычитающими входами первого и второго реверсивных счетчиков, а выход - с суммирующим входом третьего реверсивного счетчика. У первого и второго блоков вычитания первые входы соединены с шиной кода масштаба и кодовым входом пятого преобразователя код-частота, а вторые входы соединены с кодовыми входами соответственно третьего и четвертого преобразователей код-частота и с выходами первого и второго реверсивных счетчиков, а выход третьего реверсивного счетчика соединен с выходом устройства и с кодовым входом шестого преобразователя код-частота, выходы блоков вычитания подключены к кодовым входам соответственно первого и второго преобразователей код-частота.

Прототип [2] реализует функциональное кодирование широтно-импульсного сигнала, выражение для выходного кода устройства имеет вид

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

N - код масштаба;

Θ - относительная длительность широтно-импульсного сигнала.

Полученная рациональная функция аппроксимирует функцию при х∈[0,1:1,0].

Недостатком прототипа [2] является наличие методической погрешности аппроксимации и большое количество зависимых коэффициентов аппроксимации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности функционального кодирования за счет устранения методической погрешности преобразования относительной длительности широтно-импульсных сигналов по закону корня квадратного.

Техническим результатом является повышение точности функционального кодирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов, содержащее два преобразователя код-частота, два элемента И, три реверсивных счетчика, элемент ИЛИ, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены с первыми входами первого и второго элементов И соответственно, выходы которых подключены к суммирующим входам первого и второго реверсивных счетчиков соответственно, а второй вход первого элемента И является информационным входом устройства, первый вход которого соединен с частотным входом первого преобразователя код-частота введены два блока определения старшего установленного разряда, элемент И и регистр, кодовый вход которого соединен с кодовым выходом первого реверсивного счетчика, а выход, соединенный также с кодовым входом второго преобразователя код-частота, является кодовым выходом устройства, в котором первый реверсивный счетчик выполнен в виде счетчика с весовыми входами, а третий - с возможностью записи начального состояния по кодовому входу, соединенному с кодовым входом регистра, прямой динамический вход записи которого соединен со входом сброса второго и входом динамической записи третьего реверсивных счетчиков, с первым входом элемента ИЛИ и с информационным входом устройства, шина кода масштаба которого соединена с кодовым входом первого преобразователя код-частота, а частотный вход этого преобразователя объединен с частотным входом второго преобразователя и первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с вычитающим входом третьего реверсивного счетчика, а второй вход - с выходом флага обнуления этого счетчика, со вторыми входами второго элемента И и элемента ИЛИ, соединенного по выходу со входами разрешения выдачи блоков определения старшего установленного разряда, причем входы выбора этих блоков подключены соответственно первого - к прямому, а второго - к инверсному знаковым выходам второго реверсивного счетчика, у которого n-i+1 старших кодовых выходов подключены к кодовым входам блоков определения старшего установленного разряда, причем к первому блоку - инверсные, а ко второму - прямые выходы, а вычитающий вход этого счетчика подключен к выходу первого элемента И, а выходы блоков подключены к весовым входам первого реверсивного счетчика, причем выходы первого блока - к суммирующим, а второго - к вычитающим.

Блок определения старшего установленного разряда содержит n-i+1 каскадно соединенных элементов И, входы которых подключены соответственно первые - ко входу выбора, вторые инверсные входы - ко входу разрешения выдачи, а третьи - к соответствующим разрядам кодового входа блока определения старшего установленного разряда, кроме того, к остальным инверсным входам элементов И подключены выходы всех предыдущих элементов И, соответствующих более старшим разрядам, причем эти выходы образуют кодовый выход блока определения старшего установленного разряда.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании точного устройства для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов с разрядно-взвешенной реализацией итерационного метода выполнения оператора усреднения за счет использования функциональной квадратичной запоминающей обратной связи, обеспечивающей компенсацию определенного нарушения равновесия в устройстве по старшему установленному разряду сигнала рассогласования, до тех пор, пока нарушение равновесия не станет меньше исходно заданного, в результате чего сформируется код, на основе которого вырабатывается широтно-импульсный сигнал и импульсный поток, модулируемый полученным сигналом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - функциональная схема блока определения старшего установленного разряда, а на фиг.3 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве.

Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов содержит два преобразователя код-частота 1 и 2, два элемента И 3 и 4, три реверсивных счетчика 5, 6, 7, элемент ИЛИ 8, два блока определения старшего установленного разряда 9 и 10, элемент И 11 и регистр 12, причем выходы первого 1 и второго 2 преобразователей код-частота соединены с первыми входами первого 3 и второго 4 элементов И соответственно, выходы которых подключены к суммирующим входам первого 5 и второго б реверсивных счетчиков соответственно, а второй вход первого элемента И 3 является информационным входом 13 устройства, первый вход 14 которого соединен с частотным входом первого 1 преобразователя код-частота, кодовый вход регистра 12 соединен с кодовым выходом первого реверсивного счетчика 5, а выход, соединенный также с кодовым входом второго 2 преобразователя код-частота, является кодовым выходом 15 устройства, в котором первый реверсивный счетчик 5 выполнен в виде счетчика с весовыми входами, а третий 7 - с возможностью записи начального состояния по кодовому входу, соединенному с кодовым входом регистра 12, прямой динамический вход записи которого соединен со входом сброса второго 6 и входом динамической записи третьего 7 реверсивных счетчиков, с первым входом элемента ИЛИ 8 и с информационным входом 13 устройства, шина кода масштаба 16 которого соединена с кодовым входом первого 1 преобразователя код-частота, а частотный вход этого преобразователя объединен с частотным входом второго 2 преобразователя и первым входом третьего элемента И 11, выход которого соединен с вычитающим входом третьего реверсивного счетчика 7, а второй вход - с выходом флага обнуления этого счетчика, со вторыми входами второго элемента И 4 и элемента ИЛИ 8, соединенного по выходу со входами разрешения выдачи блоков определения старшего установленного разряда 9 и 10, причем входы выбора этих блоков подключены соответственно первого 9 - к прямому, а второго 10 - к инверсному знаковым выходам второго реверсивного счетчика 6, у которого n-i+1 старших кодовых выходов подключены к кодовым входам блоков определения старшего установленного разряда 9 и 10, причем к первому блоку 9 - инверсные, а ко второму 10 - прямые выходы, а вычитающий вход этого счетчика подключен к выходу первого элемента И 3, а выходы блоков 9 и 10 подключены к весовым входам первого реверсивного счетчика 5, причем выходы первого блока 9 - к суммирующим, а второго 10 - к вычитающим.

Блок определения старшего установленного разряда содержит n-i+1 каскадно-соединенных элементов И, входы которых подключены соответственно первые - ко входу выбора, вторые инверсные входы - ко входу разрешения выдачи, а третьи - к соответствующим разрядам кодового входа блока определения старшего установленного разряда, кроме того, к остальным инверсным входам элементов И подключены выходы всех предыдущих элементов И, соответствующих более старшим разрядам, причем эти выходы образуют кодовый выход блока определения старшего установленного разряда.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени реверсивные счетчики 5, 6, 7 и регистр 12 находятся в нулевом состоянии. На вход 16 подается код масштаба N, на вход 14 - импульсная последовательность опорной частоты f₀, на вход 13 - широтно-импульсный сигнал (ШИМ-сигнал) с относительной длительностью Θ. Преобразователи код-частота 1 и 2 осуществляют линейное преобразование кода в частоту, то есть вырабатывают импульсные последовательности с частотами, средние значения которых пропорциональны соответствующим управляющим кодам.

Появление на входе 13 устройства первого же широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ обеспечивает запись нулевого кода с выхода реверсивного счетчика 5 в регистр 12 и в третий реверсивный счетчик 7, а также сброс счетчика 6. Нулевой код на входе преобразователя код-частота 2 обусловливает отсутствие импульсов на его выходе.

Удержание единичного значения широтно-импульсного сигнала обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 1 и вычитающий вход реверсивного счетчика 6, что приводит к изменению их состояний.

В момент, когда закончится действие ШИМ-сигнала Θ, прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 3 блокируется. При этом появление нулевого значения на первом входе элемента ИЛИ 8, на втором входе которого также удерживается нулевое значение с выхода флага обнуления третьего реверсивного счетчика 7, приведет к установке нулевого сигнала на его выходе. В результате осуществится прием кода со счетчика 6 на входы блоков 9 и 10. При этом из-за отсутствия импульсов на суммирующем входе счетчика 6, накопленное значение будет отрицательным, что обеспечит единичное значение на прямом и нулевое на инверсном знаковых выходах. Это приведет к появлению активного уровня на входе выбора CS блока 9 и к блокировке блока 10. Код, снимаемый со значащих, за исключением i-1 определенных, разрядов счетчика 6 принимается выбранным блоком 9, который выделяет старший установленный в единицу разряд кода, обнуляя все остальные.

Таким образом, на одном из весовых суммирующих входов реверсивного счетчика 5 появляется положительный перепад сигнала, производящий коррекцию содержимого этого счетчика.

Появление на входе 13 устройства следующего широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ обеспечивает запись кода, накопленного в течение предыдущего периода, с выхода реверсивного счетчика 5 в регистр 12 и в третий реверсивный счетчик 7, а также сброс счетчика 6.

Удержание единичного значения ШИМ-сигнала вновь обеспечивает прохождение импульсной последовательности, обусловленной входным кодом, с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 5 и вычитающий вход реверсивного счетчика 6, что приводит к изменению их состояний.

В момент, когда закончится действие ШИМ-сигнала Θ, прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 3 вновь блокируется.

Ненулевое значение кода, снимаемого с выхода регистра 12, приводит к появлению на выходе второго преобразователя код-частота 2 импульсной последовательности. Удержание единичного значения на выходе флага обнуления третьего счетчика 7 обеспечивает:

- прохождение импульсной последовательности с выхода второго преобразователя код-частота 2 через элемент И 4 на вычитающий вход реверсивного счетчика 5, а также на суммирующий вход реверсивного счетчика 6, что приводит к изменению состояний счетчиков 5 и 6;

- поступление импульсов опорной частоты на вход вычитания реверсивного счетчика 7 через элемент И 11, что приводит к уменьшению кода в этом счетчике.

Это продолжается до тех пор, пока состояние счетчика 7 не станет нулевым. В момент обнуления выработается нулевой сигнал на выходе флага обнуления, который через элемент И 11 заблокирует поступление импульсных последовательностей на вычитающий вход счетчика 7, а через элемент И 4 - на вычитающий вход счетчика 5 и суммирующий вход счетчика 6.

Когда на обоих входах элемента ИЛИ 8 установятся нулевые значения, появится нулевой сигнал на его выходе. Это приведет к приему кода со счетчика 6 на входы блоков 9 и 10. При этом накопленное на реверсивном счетчике 6 значение будет соответствовать сигналу рассогласования устройства и может быть как положительным, так и отрицательным.

В первом случае появится нулевое значение на прямом и единичное на инверсном знаковых выходах. Это приведет к появлению активного уровня на входе выбора CS блока 10 и к блокировке блока 9. Во втором случае появится единичное значение на прямом и нулевое на инверсном знаковых выходах. Это приведет к появлению активного уровня на входе выбора CS блока 9 и к блокировке блока 10. Код, снимаемый со значащих, за исключением i-1 определенных, разрядов счетчика 6 принимается выбранным блоком, который выделяет старший установленный в единицу разряд кода, обнуляя остальные.

Таким образом, на одном из весовых суммирующих или вычитающих входов реверсивного счетчика 5 появляется положительный перепад сигнала, производящий коррекцию содержимого этого счетчика.

При появлении на входе 13 устройства следующего широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ процесс работы устройства повторяется так же, как и в предыдущем периоде. Устройство работает таким образом до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет менее значения, определенного разрядностью, выделенной в реверсивном счетчике 6.

При снижении сигнала рассогласования менее значения, определенного разрядностью, выделенной в реверсивном счетчике 6, устройство работает так же, как и раньше, до момента приема кода со счетчика 6 на входы блоков 9 и 10. Этот код будет нулевым, так как накопленный на реверсивном счетчике 6 результат будет меньше значения, определенного разрядностью, выделенной в счетчике 6.

Таким образом, ни на одном из весовых суммирующих или вычитающих входов реверсивного счетчика 5 не появляется перепад сигнала, производящий коррекцию содержимого этого счетчика, то есть коррекция не производится.

При появлении на входе 13 устройства следующего широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ процесс работы устройства повторяется так же, как и в предыдущем периоде. Устройство работает таким образом до тех пор, пока не достигнет режима динамического равновесия. Этот режим характеризуется равенством приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей реверсивного счетчика 5 в течение периода следования ШИМ-сигнала, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующий и вычитающий вход счетчика 5.

Устройство работает в непрерывном режиме приема и обработки входных сигналов.

В основу работы устройства для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов положен итерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы; в качестве схемы сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования, используется реверсивный счетчик, причем в устройстве имеется один контур функциональной запоминающей обратной связи, в котором реализуется функция квадратичного кодирования, являющаяся обратной для функции извлечения квадратного корня.

Условием динамического равновесия реверсивного счетчика 5 с учетом функциональных характеристик преобразователей 1 и 2 является равенство

где N_z - выходной код устройства, снимаемый с регистра 12;

f₀ - импульсная последовательность опорной частоты;

n - разрядность устройства;

Θ_СТ7 - относительная длительность ШИМ-сигнала, вырабатываемого на выходе флага нулевого состояния счетчика 7, которая при принятом соотношении периода входного ШИМ-сигнала T=2ⁿ/f₀ определяется как

Из выражения (1) с учетом (2) имеем

или

Функциональная характеристика заявляемого устройства, выполняющего функциональное кодирование относительной длительности широтно-импульсного сигнала в код, имеет следующий вид

где

Таким образом, функциональная характеристика заявляемого устройства соответствует функциональной характеристике прототипа. При этом устройство не обладает методической погрешностью.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №560233.

Устройство для воспроизведения функций /И.В.Герасимов, Н.М.Сафьянников. - Опубл. 1977, Бюл. №20. МКИ G 06 F 15/34.

2. Авторское свидетельство №1203535.

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

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и, в частности, может найти применение при нелинейном преобразовании широтно-импульсных сигналов в код. Его использование позволяет получить технический результат в виде повышения точности функционального кодирования за счет устранения методической погрешности преобразования относительной длительности широтно-импульсных сигналов по закону корня квадратного. Технический результат достигается за счет того, что в устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов, содержащее два преобразователя код-частота, два элемента И, три реверсивных счетчика и элемент ИЛИ, дополнительно введены два блока определения старшего установленного разряда, элемент И и регистр. 3 ил.

Устройство для функционального кодирования широтно-импульсных сигналов, содержащее два преобразователя код-частота, два элемента И, три реверсивных счетчика, элемент ИЛИ, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены с первыми входами первого и второго элементов И соответственно, выходы которых подключены к суммирующим входам первого и второго реверсивных счетчиков соответственно, а второй вход первого элемента И является информационным входом устройства, первый вход которого соединен с частотным входом первого преобразователя код-частота, отличающееся тем, что в устройство введены два блока определения старшего установленного разряда, элемент И и регистр, кодовый вход которого соединен с кодовым выходом первого реверсивного счетчика, вычитающий вход которого подключен к выходу второго элемента И, а выход регистра, соединенный также с кодовым входом второго преобразователя код-частота, является кодовым выходом устройства, в котором первый реверсивный счетчик выполнен в виде счетчика с весовыми входами, а третий - с возможностью записи начального состояния по кодовому входу, соединенному с кодовым входом регистра, прямой динамический вход записи которого соединен со входом сброса второго и входом динамической записи третьего реверсивных счетчиков, с первым входом элемента ИЛИ и с информационным входом устройства, шина кода масштаба которого соединена с кодовым входом первого преобразователя код-частота, а частотный вход этого преобразователя объединен с частотным входом второго преобразователя и первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с вычитающим входом третьего реверсивного счетчика, а второй вход - с выходом флага обнуления этого счетчика, со вторыми входами второго элемента И и элемента ИЛИ, соединенного по выходу со входами разрешения выдачи блоков определения старшего установленного разряда, причем входы выбора этих блоков подключены соответственно первого - к прямому, а второго - к инверсному знаковым выходам второго реверсивного счетчика, у которого n-i+1 старших кодовых выходов подключены к кодовым входам блоков определения старшего установленного разряда, причем к первому блоку - инверсные, а ко второму - прямые выходы, а вычитающий вход этого счетчика подключен к выходу первого элемента И, а выходы блоков подключены к весовым входам первого реверсивного счетчика, причем выходы первого блока - к суммирующим, а второго - к вычитающим, при этом каждый из блоков определения старшего установленного разряда содержит n-i+1 каскадно соединенных элементов И, входы которых подключены соответственно первые - ко входу выбора, вторые инверсные входы - ко входу разрешения выдачи, а третьи - к соответствующим разрядам кодового входа блока определения старшего установленного разряда, кроме того, к остальным инверсным входам элементов И подключены выходы всех предыдущих элементов И, соответствующих более старшим разрядам, причем эти выходы образуют кодовый выход блока определения старшего установленного разряда.