Устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции Советский патент 1983 года по МПК G06G7/24 G06F7/556 

управления, выход первого разряда распределителя импульсов которого со динен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы ко торых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами второго RS-триггера, инверсный и прямой выходы первого RS-триггера соединены соответственно с управляющими входами регистров сдвига и третьим входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход котороро соединен с информационным входом первого регистра сдвига и первым входом третьего элемента И, второй вход и выход которого соединены соответственно с прямым выходом второго RS-триг77герэ и первым входом второго сумматора, выход которого.соединен с информационным входом второго регист ра сдвига и вторым информационным входом последовательной схемы сравнения блока управления, выходы второго ключа и генератора импульсов которого соединены соответственно с установочным входом счетчика и входами синхронизации первого и второго регистров сдвига, выходы и установочные входы которых соединены соответственно с вторыми входами соответствующих сумматоров и входом логического нуля устройства, выход второго элемента И соединен со счетном входом счетчика, выхода которого соединен с входом&блока индикации.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ, содержащее первый и второй пороговые элементы, первый RS-триггер, причем первые входы первого и второго пороговых элементов соединены с информационным входом устройства, второй вход первого порогового элемента соединен со входом первого эталонного напряжения устройства, вход второго эталонного напряжения которого соединен с вторым входом второго порогового элемента, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства за счет увеличения диапазона изменения показателя степени, в него введены первый и второй генераторы одиночных импульсов, второй RS-триггер,. три элемента И, счетчик, блок индикации, два сумматора, два регистра сдвига и блок управления, содержащий генератор импульсов, распределитель импульсов, элемент задержки, два ключа, коммутатор, два элемента ИЛИ, последовательную схему сравнения и два элемента И, выход генератора импульсов соединен со входом распределителя импульсов, выходы с первого по п-й которого,где п-разрядность регистров сдвига, соединены с информационными входами коммутатора, управляющий вход которого соединен с входом кода останова блока, выходы коммутатора через первый элемент ИЛИ соединены с первым информационным входом последовательной схемы сравнения, тактовый вход и вход сбро. са которой соединены соответственно с выходом элемента задержки и выходом генератора импульсов, .п-й выход распределителя импульсов соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответст(Л венно равенства и превышения эталонного кода последовательной схемы сравнения, выходыпервого и второго элементов И соединены с первым и вторым .входами второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом первого ключа, инфор со о мационный вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход элемента задержки соединен с информационным входом второго ключа, управляющие входы ключей соединены с входом задания режима блока управления, причем выход первого ключа блока управления соединен с тактовыми входами первого и второго генераторов одиночных, импульсов, входы запуска которых соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых элементов, выходы генераторов одиночных импульсов соединены с S-выходами соответствующих RS-триггеров, R-выходы которых соединены с выходом второго элемента ИЛИ блока

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных областях техники и промышленности при исследовании процессов различной физической природы, которые описываются экспоненциальной функцией.

Известно устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции, содержащее блок логарифми-рования, схему сравнения, цифроаналоговый преобразователь, счетчик, управляемые ключи, генератор тактовых импульсов Cl 1

Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная аппаратурными погрешностями логарифмирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции, содержащее первый и второй пороговые элементы, первые входы которых соединены с информационным входом устройства, вторые входы - с шинами соответственно первого и второго эталонного напряжения, выходы пороговых элементов содеинены с входами триггера, выход которого соединен с управляйщим входом ключа, аналогоцифровые преобразователи, интегратор,блок вычитания и блок деления

кодов, при этом информационный вход устройства связан через ключ с входом интегратора, выход которого через первый аналого-цифровой преобразователь связан с первым входом блока деления кодов, шины первого и второго эталонного напряжения соединены с соответствующими входами блока вычитания, выход которого через второй аналого-цифровой преобразователь связан с вторым входом блока деления кодов Г 2 J.

Недостаток известного устройства заключается в ограниченном диапазоне измерения показателя экспоненциальной функции и в низкой точности вычислений.

Цель изобретения - расширение области применения устройства за счет увеличения диапазона изменения показателя степени.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции, содержащее первый и второй пороговые элементы, первый RS-триггер, причем первые входы первого и второго пороговых элементов соединены с информационным входом устройства, второй вход первого порогового элемента соединен со входом первого эталонного напряжения устройства, вход второго эталонного напряжения которого соедиьен со вторым входом второго порогового элемента, дополнительно введены первый и второй генераторы одиночных импульсов, второй RS-триггер, три элемента И, счетчик, блок индикации, два сумматора, два регистра сдвига и блок управления, содержащий генератор импульсов, распределитель импульсов, элемент .задержки, два ключа, коммутатор, два элемента ИЛИ, последовательную схему сравнения и два элемента И, выход генератора импульсов соединен со входом распределителя импульсов, выходы с первого по п-й которого, где п-разрядность регистров сдвига, соединены с информационными входами коммутатора, управляющий вход которого соединен со входом кода останова блока, выходы коммутатора через первый элемент ИЛИ соединены с первым информационным входом последовательной схемы сравнения, тактовый вход и вход сброса которой соединены соответственно с выходом элемента задержки и выходом генератора импульсов, п-й выход распределителя импульсов соединен .с пер выми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответственно ра венства и превышения эталонного кода последовательной схемы сравнения, выходы первого и второго элементов И соединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом первого ключа, информационный вход которого соединен с выходом генератора импуль сов, выход элемента задержки соединен с информационным входом второго клюуа, управляющие входы ключей соединены со входом задания режима блока управления, примем выход первого ключа блока управления соединен с тактовыми входами первого и второго генераторов одиночных импульсов,входы запуска которых соединены с выхо ми соответственно первого и второго пороговых элементов, выходы генераторов одиночных импульсов соединены с S-выходами соответствующих RS-триг геров, R-выходы которых соединены с выходом второго элемента ИЛИ блока управления, выход первого разряда распределителя импульсов которого соединен с первыми входами первого, и второго элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с нверсным и прямым выходами второго S-триггера, инверсный и прямой выоды первого RS-триггера соединены оответственно с управляющими входами регистров сдвига и третьим входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с информационным входом первого регистра сдвига и первым входом третьего элемента И, второй вход и выход которого соединены соответственно с прямым выходом второго RSтриггера и первым входом второго сумматора, выход которого соединен с информационны м входом второго |эегистра сдвига и вторым информационным входом последовательной схемы срав- . нения блока управления, выходы второго ключа и генератора импульсов которого содеинены соответственно с установочным входом счетчика и входами синхронизации первого и второго регистров сдвига, выходы и установочные входы которых соединены соответственно со вторыми входами соответствующих сумматоров и входом логического нуля устройства, выход второго элемента И соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен со входом блока индикации. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для вычисления показателя, экспоненциальной функции; на фиг. 2 - структурная схема блока управления. Устройство для вычисления показателя экспо.ненциальной функции содержит пороговые элементы 1 и 2, генераторы 3 и 4 одиночных импульсов, RS-триггеры 5 и 6, сумматоры 7 и 8, регистры 9 и 10 сдвига, счетчик 11,. блок 12 индикации, блок 13 управления, элементы И 14-16, информационный вход 17, входы 18 и 19 эталонных напряжений. Блок 13 управления (фиг.2) содержит генератор 20 импульсов, распределитель 21 импульсов, коммутатор 22, последовательную схему 23 сравнения, элементы ИЛИ 24 и 2S, элементы И 2б и 27, элемент 28 задержки, ключи 29 и 30, выходы 31-35 и вход 36. , В качестве пороговых элементов могут быть применены компараторы. В качестве сумматоров 7 и 8 могут применяться любые последовательные двоичные сумматоры.

В качестве регистров 9 и 10 сдайга могут применяться любые последовательные запоминающие устройства.

В качестве схемы 23 сравнения могут применяться любые схемы последовательного сравнения двух последовательных двоичных кодов.

Устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции работает следующим образом.

В исходном состоянии на первом, выходе блока 13 управления сигналы отсутствуют, а на втором и-«етвертом вырабатываются сигналы, которые устанавливают триггеры 5 и 6 и счетчик 11 в нулевое состояние.Единичный сигнал инверсного выхода триггера 5 поступает на вход управления регистров 9 и 10 сдвига и обеспечивает установку их в нулевое состояние, так как их входы установки данных подключены к шине логического нуля.

В режиме вычисления показателя экспоненциальной функции входы 18 и 19 эталонных напряжений подключают к источникам эталонных напряжений, задающих два уровня эталонного напряжения U и U2, а на информационный вход 17 устройства подается аналоговый сигнал, изменяющийся по экспоненциальному закону l -Upe , где и (J - начальное значение входного напряжения; cL - показатель экспоненциальной функции; t - время. В исходном состоянии на выходах поро-говых элементов 1 и 2 действуют сигналы логического нуля. Как только входное напряжение, действующее на информационный вход 17, достигает первого уровня эталонного напряжения и, срабатывает пороговый элемент 1 , на выходе которого формируется сигнал логической единицы. Выходной сигнал порогового элемента 1 запускает генератор 3 од |ночных импульсов, на тактовый вход которого с первого выхода блока 13 управления поступает последовательность импульсов. Выходной импульс генератора 3 одиночных импульсов устанавливает триггер 5 в единичное состояние на прямом выходе которого формируется сигнал логической единицы, снимающий блокировку элемента И I. Последовательность импульсов, формируемая блоком 13 управления на его третьем выходе, поступает через элемент И на первый вход сумматора

7, на второй вход .которого сдвигается под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления начальный нулевой двоичный код регистра 9 сдвига. За время п тактов, где п - количество разрядов регистра 9 сдвига,на первый вход сумматора 7 поступает один импульс, который увеличит начальный двоичный код на единицу и результат с выхода сумматора 7 записывается в регистр 9 сдвига под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления. В по.следующие такты работы устройства в регистре 9 сдвига накапливае- ся двоичный код, соответствующий количеству импу/.сов, поступающих через каждые п тактов с третьего выхода блока 13 управления через элемент И 14 на первый вход сумматора 7.

Так будет продолжаться до тех пор, пока не сработает пороговый элемент 2,который срабатывает при достижении входного напряжения на входе 17 второго уровня эталонного напряжения „, В этом случае на выходе порогового элемента 2 формируется сигнал логической единицы, который запускает генератор k одиноных импульсов, на тактовом входе которого действует последовательность импульсов первого выхода блока 13 управления. Выходной сигнал генератора 4 одиночных импульсов устанавливает триггер 6 в единичное состояние, при котором сигнал инверсного выхода триггера 6 блокирует элемент И 14, а сигнал его прямого выхода снимает блокировку элементов И 15 и 16.

К моменту установки триггера 6 в единичное состояние в регистре 9 сдвига накапливается двоичный код, значение которого пропорционально интервалу времени между событиями перехода входного напряжения через первый и второй уровни эталонного напряжения. Так как элемент И 14 блокируется триггером 6 после установки его в единичное состояние, то двоичный код регистра 9 сдвига циркулирует без изменения с выхода на информационный вход через сумматор 7, а также поступает через элемент И 15 последовательно во времени, начиная с младшего разряда, на первый вход сумматсхра 8, на второй вход которого под действием синхронизиру ющих импульсов пятого выхода блока 13 управления сдвигается начальный нулевой двоичный код регистра 10 сдвига. За каждые п тактов работы устройства, где п-количество разрядов регистра 10 сдвига, выполняется один цикл суммирования двоичных кодов регистров 9 и 10 сдвига. По-скольку выход сумматора 8 соединен с информационным входом регистра 10 сдвига, то в регистре 10 сдвига накапливается двоичный код, равный произведению количества циклов суммирования на величину двоичного кода регистра 9 сдвига. В это время счетчик 11 выполняет подсчет количества циклов сумвирования сумматором 8, так как через каждые п тактов на его информационном входе действует импульс третьего выхода блока 13 управления, поступающий элемент И 16. .Так будет продолжаться до тех пор, пока.двоичный код регистра 10 сдвига не достигнет заданного блоком 13 управления двоичного кода. Двоичный код регистра 10 сдвигается под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления через сумматор 8 на вход блока 13 управления, где сравнивается с заданным значением. Если дво ичный код в регистре 10 сдвига достиг или превысил заданное значение то блок 13 управления вырабатывает на втором выходе сигнал, который сбрасывает триггеры 5 и 6 в нулевое положение, при котором элементы И И, 15 и 16 блокируются и вычисле ние показателя экспоненциальной функции заканчивается. В счетчике 11 фиксируется значение показателя экспоненциальной функции, которое индицируется блоком 12 индикации. Блок 13 управления (фиг. 2) .рабо тает следующим образом. В исходном режиме с помощь.ю ключ 30 выход31 (первый выход) подключают к входу логического нуля, а кл чом 29 подключают выход генератора 20 импульсов к выходу 3 (четвертый .выход) и к третьему входу элемента ИЛИ 25, через который выходные сигналы генератора 20 импульсов поступают на ввход 32 (второй выход). Генератор 20 импульсов формирует последовательность тактовых сиг.налов частоты f, которая поступает на выход 35 (пятый выход) .и на вход п-канального распределителя 21 импульсов. На п выходах распределителя 21 импульсов формируются п последовательностей сигналов частоты f/n, сдвинутых друг относительно друга на время 1/f. Каждый выходной сигнал распределителя 21 импульсов совпадает с моАентом считывания соответствующего разряда двоичного кода с выходов регистров 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов первого выхода распределителя 21 импульсов, поступающая на выход 33 (третий выход), совпадает по времени со сдвигом первого (младшего) разряда двоичных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов последнего п-го выхода распределителя 21 импульсов, поступающая на вторые входы элементов И 26 и 27, совпад ет по времени со сдвигом последнего п-го разряда.двоичных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига. С помощью коммутатора 22, выполHeHHorOj например в виде клавишного переключателя, каждый выход распределителя 21 импульсов может быть подключен к соответствующему входу элемента ИЛИ . Заданное значение двоичного кода устанавливается на коммутаторе 22 путем коммутации выходов распределителя 21 импульсов и входов элемента ИЛИ 2k в единичных разрядах задаваемого двоичного кода. После установки заданного значения двоичного кода на коммутаторе 22 на выходе элемента ИЛИ формируется последовательный п-разрядный двоичный код, период повторения которого равен n/f или п-тактов. В режиме вычисления показателя экспоненциальной функции с помощью ключа 30 выход 31 (первый выход) подключают через элемент 28 задержки на длительность импульса генератора 20 к последнему п-му выходу распределителя 21 импульсов. На выходе ключа 29 действует сигнал логического НУЛЯ, который поступает на выход З и третий вход элемента ИЛИ 25. Схема 23 сравнивает заданный последовательный двоичный код, действующий на выходе элемента ИЛИ 2k, с текущим значением двоичного кода, 55 сдвигаемого с выхода регистра 10 сдвига через сумматор 8 на вход Зб блока 13 управления. В случае равенства или превышения заданного на коммутаторе 22 значения двоичного кода на первом или втором выходах -схемы 23 сравнения формируется сигнал логической единицы, который сни мает блокировку элементов И 2б или И 27 соответственно. Импульсный сиг нал последнего выхода распределителя 21 импульсов проходит через элемент И 26 или И 27 на выход элемента ИЛИ 25 и далее на .выход 32 и R-вход триггеров 5 и 6. После каждого цикла сравнения последовательных п раз рядных кодов схема 23 сравнения сбр сывается в исходное состояние импульсным сигналом, поступающим с вы хода элемента 28 задержки, .Заданный двоичный код, устанавливаемый на коммутаторе 22 блока 13 управления, определяется заранее для определенных уровней эталонных напряжений U, и U. Соотношение для определения заданного двоичного кода можно определить сле дующим образом. Показатель экспоненциальной функ ции определяем из соотношений , enUi-enU2 (1) , t2-t, где t и t- моменты времени срабаи to тавания пороговых элементов 1 и 2 соответст венно; величина двоичного код накопленного в регистр 9 к моменту времени t количество разрядов регистров 9 и 10; частота генератора 20 импульсов. Из соотношений (1) и (2) получаем выражение для величины заданного двоичного кода с-1 1„ Ь. 1|. Величина С в двоичном коде определяет заданный двоичный код. При достижении соотношения (.К.ЩК, /С схема 23 .сравнения блока 13 управления останавливает процесс вычисления показателя oL экспоненциальной 7710 функции, величина которого фиксируется в счетчике 11. Предлагаемое устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции позволяет существенно расижрить диапазон измерения и повысить точность вычислений. Действительно, наличие аналогово- . го интегратора в составе известного устройства ограничивает диапазон измерения показателя экспоненциальной функции значениями 0, при погрешности вычилсений Г-2%. Это связано с тем, что для быстрых Процессов (постоянная времениtfc I / 0,1 С 1 напряжение на выходе аналогового интегратора незначительно изменяется от нулевого значения, а для медленных процессов (постоянная времени Т с ) время интегрисрования превышает допустимое значение для аналогового интегратора. Диапазон изменения показателя экспоненциальной функции и погрешность вычислений в предлагаемом устройстве определяются частотой генератора 20 импульсов и разрядностью регистров 9 и 10 сдвига. Например, если в качестве генератора импульсов использовать кварцевый генератор с частотой кГц, а разрядность регистров сдвига выбрать равной п 6, то абсолютная погрешность измерения временного интервала составит 4Т -j-s «KrV:. Диапазон измерения временного интервала составляет n/f Т 2 xn/f или для выбранного примера 10Л: Т . Этому диапазону измерения временного интервала соответствует диапазон измерения показателя экспоненциальной функции,начиная со значенияв-яЮО с при относительной т- -ТОО ., c TT7F- /«. погрешности и до значения Ы 10 с при относительной погрешности 10, которое практически снимает ограничения на вычисление яоказателя экспоненциальной функции для медленных процессов.

«п

1

26 t7

I

Л л I

23

м

k 1.

I J| Ji ii I

I 1 о ol о 1 о j l...«fc

I

JJ

П

Ё-аГ

Ь.гЗ

.JS