Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины Советский патент 1984 года по МПК G06G7/12 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к анало говым вычислительным машинам, и может быть использовано для моделирова ния динамических систем с большими динамическими диапазонами изменения физических переменных. Одной из важнейших характеристик вычислительных блоков (ВБ) АВМ является динамический диапазон. В современных АВМ он достигает Ю, но прак тически снижается до 10-50. из сообра жений обеспечения точности решения динамических задач .ij. Указанное обстоятельство приводит к применению переменного масштабирования и, в частности, автоматической смены масштабов для моделирования ди намических систем с диапазонами изме нения физических переменных 10 - 10 и более. Известно устройство автоматическо смены масштабов, содержащее блоки, анализирукицие в цифровой форме исход ные дифференциальные управления и рассчитывающие максимальные значения соответствующих переменных пб прибли женным формулам 23. Недостаток этого устройства - его сложность, так как оно имеет в своем составе цифровую машину, а точность вычисления масштабных коэффициентов невысокая. Известно аналоговое вычислительно устройство для вычисления масштабног коэффициента, включающее блок, устанавливаЮ1чий величину коэффициента, функциональный генератор., формирующий логарифмическую йеличину масштаб кого коэффициента, операционный и сравнивающий усилители З. Недостатки такого устройства обус ловлены низкой точностью из-за нелинейного логарифмического преобразова ния, а также сложностью устройства. Известны также устройства автоматической смены масштабов, реализующие метод ступенчато изменяющегося масштаба. Этот метод основан на разбиении всего диапазона измерения переменной на поддиапазоны с выбором масштаба переменной на каждом поддиапазоне. При постоянстве коэффициента расширения поддиапазона, равного отношению максимального значения переменной на данном поддиапазоне к минимальному (в м.ашинной интерпретации это означает отношение максимального напряжения АВМ, где шкала АВМ -верхняя граница, и напряжения нижней границы, например 10В, т.е. для. АВМ со стовольтовой шкалой 100/10 10) переход из поддиапазона в поддиапазон сводится к переводу машинной переменной с верхней границы на нижннж) или наоборот (в зависимости от характера изменения переменной) выставки начального условия на интеграторе и изменения коэффициента передачи. Указанные выше устройства содержат интегратор, блок фиксации границ, блок запрета ложного импульса, реверсивньш счетчик импульсов, блок сопряжения Недостаток указанных устройств мальй диапазон коэффициента передачи интегратора (10 - 10) и низкая точность выставки коэффициентов передачи интеграторов при переходе масштабируемой переменной из поддиапазона в поддиапазон. Наиболее близким к изобретению является устройство автоматической смены масштабов для АВМ, содержащее операционный усилитель, мост, плечи . которого содержат ключи, в одну из диагоналей включена емкость, а другой диагональю он подключен к входу, и выходу операционного усилителя, блок фиксации границ поддиапазона, подсоединенные к выходу операционного усилителя интегратора, блок сопряжения, подсоединенный к выходу блока фиксации границ поддиапазона, реверсивный счетчик импульсов, подсоединенный к блоку сопряжения, переключатель, подсоединенный к выходам реверсивного счетчика импульсов, два цифроуправляемых сопротивления, блок задания кода и сумматор 5. Недостаток данного устройства заключается также в .малом диапазоне выставляемых значений коэффициента передачи интегратора (10 ), что сужает возможности масштабирования физической переменной, изменякяцейся в более широких пределах. Цель изобретения - расширение динамического диапазона изменения масштабов . Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины, содержащее первый

операционный усилитель, вход которого itepea первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устройства, четыре ключа,включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин вторбй диагонали моста подключена к входу первого операционного 5 силителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены-попарно соответственно с первьм и вторым импульсными выходами блока фиксации границ поддиапазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усипи.теля, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блокаформирования границ поддиапазона и через реверсивный счетчик сйединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разиополярными входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора,

второй вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока фор1«фования границ поддиапазона.соединен с выходом блока задания кода, введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы которых соединены с выходом реверсивного хчетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом, соединенным с другой вершиной второй диа,гонали моста.

На фиг, 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 процесс масщтабирования произвольной функции; на фиг. 3 и 4 - блок-схемы отдельных узлов.

В таблице показаны значения коэффициента передачи интегратора для различных номеров поддиапазонов.

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИСЖТКЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устройства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна ИЗ вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым И вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиапазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона И через реверсивный счетчик соединен с управлякщим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подg ключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока § задания кода, отличающеес я тем, что, с целью распмрения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивлеСд9 ния, управляющие входы которых сое90 динены с выходом реверсивного счетчика, первое цифроуправляемое сопро;о тивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инвертирующим входом второго операционного усилителя И его выходом., соединенным с другой вершиной второй диагонали моста.

4

«3 4

комму- R

в RJ-RT 6 -

RI Rd 10- 10° 10

10-2

Устройство автоматической смены 55реверсивный счетчик импульсов,блок

масштабов (фиг. 1) содержит операцион-5 задания кода, цифроупразляемое сопный усилитель 1, блок 2 фиксации гра-ротивление 6, ключи 7-10, переключаниц поддиапазона, блок 3 сопряжения,тель 11, блок 12 формирования грани1

1

О О

о о

R|

, R, .

R.tR

102 i11 цы поддиапазона, блок 13 залания кода, сумматор 14, операционный усилитель 15, входное цифроуправляемое со ротивпение 16, цифроуп;равляемое сопротивление 17 обратной связи, интегрирун(ий конденсатор 18. На чертежах приняты следующие обозначения: Е, - максимальное нап ряжение линейной зоны вычислительного блока (интегратора) - шкала АВМ} Uot, - опорное напряжение i - входная машинная .переменная; X - выходная машинная переменная; и - промежуточная машинная переменная. Елок 2 фиксации границ поддиапазона (фиг. 3) содержит два компарато ра 19, два разделительных диода 20 и триггер 21. Выходы компараторов 19 подсоединены к блоку 3.сопряжения, а выходы триггера 21 - соответствен но на управляющие входы ключей 8 и 10, 7 и 9. Блок 3 сопряжения (фиг. 3) содержит два многовходовых логических эле мента ИЛИ 22, к входам которых подсоединены выходы соответствующих эле .ментов других устройств автоматической смень масштабов, производящих автомасштабирование по переменным, функционально связанных с масштабируемой переменной % . Переключатель 11 (фиг. 3) содержи два многовходовых логических элемента ИЛИ 23, управляемьй ключ 24, например, м/с серии 590. Блок 12 формирования границы поддиапазона содержит - разрядную резис тивную матрицу R-2R25, логические элементы ИЛИ 26, и И 27. Блок 13 задания кода содержит набор тумблеров 28, выходы которых под соединены к логическим элементам И 27, а входы их подсоединены к поло жительному (это зависит от типа микросхем, используе1« 1Х в блоке 12) полюсу источника опорного напряжения. Данный блок осуществляет задание кода, преобразуемое блоком 12 формирование гарницы поддиапазона в постоян ное напряжение, соответствующее границе поддиапазона. Цифроуправляемое сопротивление 16 и цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи содержат резисторы 29 R , и ключи 30. Эти блоки представляют собой резисторные секци состоящие соответственно из резисторов R - R каждый ре 9 зисто кроме й, и Rj шунтирован ключом 30, который в нормальном положении замкнут. Резисторы выбираются такого номинала, чтобы обеспечить кратное порядку изменения коэффициента передачи интегратора при переходе машинной переменной в соседний-поддиапазон. Блок 5 задания кода (фиг. 4) содержит логические элементы И31 и набор тумблеров 32. Количество тумблеров определяется разрядностью резистинной матрицы R -2R 33 цифроуправляемого сопротивления 6, например, м/с серии 301. Ключи 7-10 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах. Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины работает следующим образом В зависимости от характера изменения машинная переменная АВМ может пересекать границы поддиапазона и -Е.„„ (фиг. 2). Факт пересечения машинной переменной одной из границ служит началом процесса смены масштабов с Этот момент фиксируется блоком фиксаций границ поддиапазона (фиг.1). Пусть промежутчоная машинная переменная у возрастает (фиг. 2) и в момент С пересекает . Сравнение машинной переменной с выхода операционного усилителя 1 интегратора с напряжением границы происходит на компараторе 19, на выходе которого образуется имгульс, проходящий через разделительньй диод 20 на счетный выход триггера 21 и на вход блока 3 сопряжения (фиг. 2). Переход триггера 21 в противоположное состояние вырабатывает сигнал управления для пар ключей 7, 9 и 8, 10. Это приводит к тому, что, например, пара ключей 8, 10 закрывается, пара 7, 8 открывается. При таком переключении ключей конденсатор 18 оказывается включенным наоборот, т.е. вместо напряжения на выходе операционного усилителя 1 интегратора оказывается напряжение . Поскольку масштабируемая переменная возрастает, то дальнейший процесс ее изменения происходит от Ыах Одновременно импульс с компаратора 19 поступает на вход логического элемента ИЛИ 22 блока сопряжения. По другим входам этого логического элемента поступают сигналы от других устройств автоматической смены масштабов, с которыми функционально связана масш71табируемая переменная. Сигналы с вых да логических элементов ИЛИ 22 посту пают на вход реверсивного счетчика импульсов 4, вызывая изменение его состояния. Выходы логических элементов ИЛИ 22 образуют шины сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов 4, т.е. поступающая информация по этим шинам производит переклю чения выходов реверсивного счетчика /импульсов 4 в сторону положительных (сложение) или отрицательных (вычитание) номеров Поддиапазонов (фиг. 3 Предположим, что машинная переменная переходит в момент смены масштабов из нулевого поддиапазона в первый (это соответствует прохождению им.пульса по шине сложения). При этом для масштаба переменной на нулевом поддиапазоне заранее был рассчитан коэффициент передачи, выставляемый на резистивной матрице R -2R 33 цифроуправляемого сопротивления 6 с поцощью блока 5 задания кода (фиг, 4). Эта операция осуществляется с помощью комбинации включения тумблеров 32 и подачи напряжения на входы соответствующих логических элементов И 31, по другим входам которых это напряжение присутствует постоянно. Для резистивной матрицы , содержащей 10 разрядов, значение коэффициента передачи Kt, (при коэффициенте передачи интегратора Кк равном 1, что соответствует нулевому под дипазону), может быть выставлено в диапазоне значений от 0,001 до 1. Таким образом, общий коэффициент пер дачи интегратора определяется, как Кд Кц К, Изменение К„ может быть осуществлено в процессе решения изменением К„, что связано с переходом масштабируемой из поддиапазона в поддиапазон и соответствующим измене нием масштаба этой переменной на порядок. Переход переменной в первый поддиапазон и связанное с этим появление импульса по шине сложения на выходе реверсивного счетчика импульсов 4 приводит к изменению состояния его выходов. На выходе, соответствующем первому поддиапазону, появляется сиг нал, который приводит к срабатыванию ключа 30 и расшунтировке резистора RJ (см. таблицу - схему коммутации, в таблице принято: 1 - нормальное замкнутое положение ключей 98 ЗО; О - рабочее разомкнутое положение ключей). При расшунтировке R изменяется коэффициент передачи интегратора с 1 на 10, при выбранных, например, значениях номиналов резисторов: R 0,01М, R, 0,09M,,9M,R,-9M, «5 90М, Rft 0,9М, R., 0,09М, .Rj 0,01М. Аналогично будут происходить подключения других резисторов управляемых сопротивлений 17 и 16 обратной связи и соответствующее этим, подключениям изменения коэффициента Ку в зависимости от номера поддиапазона. Выходы положительных поддиапазонов реверсивного счетчика импульсов 4 подсоединены к логическому элементу ИЖ 23, а отрицательных - к элементу ИЛИ 23j. Выходы этих элементов подсоединены к управляемому ключу 24. Выход нулевого поддиапазона не пo ключен к логическим элементам ИЛИ 23. Это означает, что при прохождении масштабируемой переменной в нулевом поддиапазоне на вход управляемого ключа 24 сигнала переключения не поступает. Как только масштабируемая переменная переходит в другой поддиапазон, например в первый, что соответствует появлению сигнала на выходе реверсивного счетчика 4 иьтульсов, на выходе логического элемента ИЛИ 23 появляется сигнал, приводящий к срабатыванию управляемого ключа 24. При сра батывании управляемого ключа 24 производится коммутация одного из полюсов источника опорного напряжения ,. В частности, если масштабируемая переменная положительная, то коммутируется - Uon И наоборот. Смена знака полярности Uon происходит только при переходе масштабируемой переменной через нулевой поддиапазон. С выхода управляемого ключа 24 напряжение поступает на вход резистивной матрицы ft-2R 25 блока 12 формирования границы поддиапазона. К каждому разряду этой матрицы подсоединены выходы логических элементов И 27. На один из входов этих логических элементов подсоединены соответственно выходы тумблеров 28 блока 13 задания кода. Код числа, определяющего значение границы поддиапазона, задается включением соответствующих тумблеров 28, с помощью которых на входы логических элементов И 27 подается положительное напряжение Uoii К другим входам логических элементов И 27 подсоединен выход логического элемента ИЛИ 26 блока 12 формирования границь поддиапазона. Появление сигнала на любом из входов логического элемента ИЛИ 26 приводит к появлению сигнала на входах логических элементов И 27, что обеспечивает передачу кода числа выставленного на тумблерах 28 для под ключения соответствующих разрядов ре зистивной матрицы 25. Поскольку вхо-. ды логического элемента ИЛИ 26 подсоединены к выходам логических элементов ИЛИ 22, на выходах которых образуется сигнал при нахождении мас штабируемой переменной в одном из поддиапазонов, кроме нулевого, то в резистивной матрице P-2R 25 разряды, определяемые выс авленным кодом, будут соответственно включены для всех поддиапазонов, за исключением нулевого. Подача напряжения на вход этой матрицы приводит к образованию напряжения границы, подаваемого на 11 910 сумматор 14, по другому входу которого поступает напряжение с выхода опер4ционного усилителе 1 интегратора. В результате сложения двух напряжеНИИ образуете масштабированная v машинная переменная X , изменяющаяся в выставленных границах. Таким образом, в предлагаемом устройстве расширяется динамический диапазон интегратора за счет введения в обратную связь операционного усилителя с управляе1« 1ми сопротивлениями в обратной связи и на входе. При таком схемном решении и значениях резисторов, приведенных в качестве примера, динамический диапазон интегратора на два порядка больше чем у прототипа. Кроме того, при учете динамического диапазона цифроуправляемого сопротивления, равного 10, общий динамический диапазон интегратора будет 10, позволяет моделировать широкий класс динаЖческих объектов.

z

г/г

t

t

г.,

Т

у

тох

7

Л

frnax

«V

X I тах

W

fPut.l