Многопороговый функциональный преобразователь Советский патент 1987 года по МПК G06G7/25 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в качестве кусочно-ступенчатых и кусочно-линейных аппроксиматоров функций для воспроизведения специальных кусочно-разрывных функций (функций аналого-1Ц1фрового преобразователя, антье-функции, функции амплитудной .свертки и пр.), для воспроизведения некоторых логических функций п-знач ной логики и др.

Целью изобретения является расширение класса воспроизводимых преобразователем функций.

Яа фиг.1а приведена базовая схема многопорогового функционального преобразователя; на фиг.16 - схема аналогового релейного элемента; на фиг.2 - 4 - варианты подключения многопорогового функционального преобразователя к шинам задания пороговых и к шинам задающих напряжений..} на фиг.5 - 8 - воспроизводимые преобразователем функций; на фиг.9-- базовая схема двухпорогового варианта функционального преобразователя; на фиг.10 - 23 - варианты схем подключения его к внешним источникам задания пороговых и задающих напря жений; на фиг.24 - 29 - воспроизводимые двухпороговым функциональным преобразователем функции.

Базовая схема многопорогового функционального преобразователя (фиг.1а) содержит N аналоговых ре

-

.V 0,5 V 1 + sign(x - х) + 0,5у 1 - sign(x - х);

Vi ° н-Д si8n(x,- х) + 0,5у 1 - .sign( х) ;

V, 0,5 V 1 + sign(x - х) + 0,5у t 1 - sign(x - х) ;

V, О,ЗУ, 1 + sign(x - х) + 0,5уг 1 - sign(x, - х);

.Г 1 при х 7/ X(релятора), i 1,2,., . ,N; у V );

sign(x. - х) - I пороговые напряжения, поданные

-1 при X X55 соответствующие шины 3 (i 1,

2,...,N);

есть сигнум-функция;У,- - задающие напряжения, поданные

V. - напряжение на выходе i-roна соответствующие шины 4 (i Ь,

аналогового, релейного элемента ,...,N + 1);

лершых элементов

1 ,, шину 2 нулевого потенциала, N шит1 3 задания

пороговых напряжении 4 задающих

N У

1 шин

У„

2

Каждьш аналоговый

мент 1 (релятор RL) содержит (фиг.1б) переключатель 5, и компаратор 6, например дифференциальный усилитель, с первым (инвертирующим) и вторым (неинвертирующим) входами. Вариант схемы на фиг,4 дополнительно содержит инвертор 7. На фиг,9 - 23 схема включения двухпорогового варианта функционального преобразователя для упрощения описания вместо первой и второй групп шин 3 и 4 показаны первый 8 и второй 9 внешние источники пороговых напряжений и первый 10, второй 11 и третий 12 источники задающих напряжений соответственно. Во всех вариантах включения преобразователь имеет второй выходной вывод 13 и первый - 14. Многопороговый функциональный преобразователь (фиг.1а) работает следующим образом.

Каждый аналоговый релейный зле - мент 1 (фиг.16, релятор) воспроизводит функцию сигнатурного селектиро- вания. Выходное напряжение на первом выходе преобразователя (напряжение между первым выходным вьшо- дом 14 преобразователя и шиной 2 ну- левого потенциала): определяется выражением

X - входное напряжение, поданное между объединенными первыми входами компараторов аналоговых релейных элементов 1j (реляторов) и шиной 2 нулевого потенциала.

Выходное напряжение (между первым 1А и вторым 13 выходными выводами) определяется выражением X - V.

Установка заданной воспроизводимо функции в каждом интервале аппроксимации (х ., X . ) при Х| -:. X - ... Х осуществляется установкой соответствующего задающего напряжения у..

При необходимости установки нулевого задающего напряжения (у 0) на некоторых шинах 4 соответствующие шины 4 присоединяются к шине 2 нулевого потенциала (фиг.2).

При необходимости установки некоторых задающих напряжений у. равным пороговым напряжениям соответствующие шины 4 соединяются с заданными шинами 3. В частности, при у у., У

УЧ

. 1 УЭ 0. У 3 5 от .схемы по фиг.1а приходим к схеме

по фиг.-З.

При необходимости получения линей ;ных участков в некоторых зонах аппроксимации с положительным и (или) от- (рицательным наклоном соответствукнцие задающие напряжения выбираются равными входному напряжению без инверсии и (или) с инверсией (у.

J

(у ; х) и (или) с инверсией

(J

У л ,

к соответ

-х) знака 8 фиг.4).

В общем случае воспроизводимая функция или логическая операция задается комбинацией задающих напряжений: у- у. ,,У х у -X, что эквивалент ственно автономной установке задающих напряжений, присоединению соответствующей шины 4 (шин) к щине нулевого потенциала заземления, присоединению соответствующей шины 4 (шин) к входу преобразователя непосредственно или через инвертор знака.

На фиг,5 и 6 представлены некоторые функции, воспроизводимые преоб- разователем по фиг,1а при снятии выходных сигналов с первого (фиг.5) и второго дополнительного (фиг.6) выходных выводов преобразователя.

На фиг.За и б представлены функ- ции аналого-цифрового преобразования (АЦП) соответственно на фиг.ба и б представлены функции погрешности

5

дискретности АЦП, обусловленной конечным значением уровней квантования. График по фиг.6 б определяет антье- функцию (функция ближайшего целого, содержащегося в числе).

Преобразователь по фиг.1а воспроизводит также функцию инверсии V п - 1 - X (фиг.Зв) и циклического отрицания V х+1 (mod п) (фиг.Зг) п-значной логики (показан случай, когда п N + 1 5), причем этот преобразователь может быть использован в качестве конвертора (преобразователя) логических уровней (фиг.Зд).

При у,

У, У,

.Ч о

УЗ

%+1

от схемы по

0

5

0

фиг.1а приходим к схеме по фиг.2. В данном случае преобразователь по фиг.2 является гребенчатым фильтром уровней сигналов (фиг,7а и 8а).

При у, у ... у о, у у .... у X (фиг.76 и 8б).Пре- , образователь по фиг.1а по первому 14 и второму 13 выходным выводам воспроизводит функции, представленные соответственно на фиг.76 и 86, т.е. также является гребенчатым фильтром уровней сигнала. При у

У, .

о.

Х,

к

УЗ

от схемы по фиг.1а приходим к

0

5

5

0

5

V -X у

N+1. г от схемы по фиг.1а

X,

схеме по фиг.З, которая воспроизводит

функции,представленные на фиг.56 и 66.

При у

У ... У X приходим к схеме по фиг.4. Здесь операция инвертирования входного сигнала X осуществляется инвертором 7, Графики функций, воспроизводимых преобразователем по фиг.4, представлены на фиг.7в (первый 14 выходной вйвод) и фиг.8в (второй 13 выходной вывод).

В общем случае преобразователь воспроизводит любую нелинейную функцию путем установки в каждом интервале -00 , Xj, X,, , ГХ,,Х,

« заданного постоянного уровня у. (i 1,2,...,N « 1) или путем выделения участков прямых у X и у -X.

Двухпороговый вариант функционального преобразователя (фиг.9) при различных схемах его включения (фиг.9 - фиг,23) работает следующим образом.

Если входное напряжение х на первом (инвертирующем) входе компаратора 6 аналогового релейного элемента

(релятора) 1 (фиг.9) меньше напряжения на его втором входе (х -х / 0), то его. переключатель 5 находится в верхнем по фиг.16 положении и на выход этого переключателя проходит напряжение у от источника 8. Если напряжение X на первом входе компаратора 6 больше напряжения на его вто- ром входе ( 0), то переключатель 5 переключается в нижнее по фиг.16 положение и на его выход проходит напряжение у от источника 11 (фиг.9), аналогичным образом осуществляется М работа аналогового логического элемента (релятора) 1j. Если разность напряжений между входами компаратора 6 аналогового

1 + sign(x, - х)

У,

1 + sign(x, - х) 1 - sign (х г - х)

2 1

2 ствующие график мых преобразова 25 ставлены на фиг

1

sign(x „ - х)

при X. ,

X

-1 при х X

есть сигнум-функция;

V, - входное напряжение.

Напряжение V, снимается между первым 14 выходным выводом преобра- зователя и шиной 2 нулевого потенциала.

Выходное напряжение V между первым 14 и вторым 13 выходными вьгеода- ми преобразователя и определяется выражением V х - V .

На фиг.24 и 27 изображены графики воспроизводимых преобразователем по фиг,9 функций по первому 14 (фиг.24) и второму 13 (фиг.27) вы- ходны выводам. Как видим, преобразователь по фиг.9 воспроизводит трехуровневую функцию с регулируемыми порогами X, и Xj и регулируемыми уровнями ограничения у , у , у .

.Если в преобразователе по фиг,9

положить у, УЗ

о, то приходим

к схемному варианту его включения по фиг,10, который по первому 14 выходу формирует функцию двухпорогово- го компанирования (фиг.24). Нелинейная функция, формируемая преобразователем по фиг.10, по второму 13 (между первым 14 и вторым 13 выходными выводами) выходу представлена на фиг.27.

При у О приходим к схемному варианту включения преобразователя:, изображенному на фиг.11, а соответ

релейного элемента (релятора) положительна (xg-x , 0), то его переключатель 5 находится в верхнем по фиг. 16 положении и на первый выходной вьшод 14 преоб - разователя поступает выходное напряжение 2, .

Если х,,-х 0, то переключатель 5 переключается в нижнее по фиг.16 положение и на первый 14 выходной вывод преобразователя проходит напряжение у от источника 7. Таким образом, напряжение на выходах пере- 1слючателей 5 аналоговых логических элементов 1 и 1 определяется соответственно выражениями:

- :ign(xj -1 - sign (х г - х)

2 УЗ . ствующие графики функций, формируемых преобразователем по фиг.11, пред- 5 ставлены на фиг.24 и 27.

При х (или) при У, У преобразователь по фиг,9 формирует двухуровневую однопороговую функцию (фиг.24) и однопороговую раз- рывно-линейную функцию (фиг.27),

При X , х,, у, у 0 преобразователь по фиг.9 формирует положительную скачкообразную функцию (фиг.24) и однопороговую разрывно- линейную функ1щю (фиг.27).

5

0

При X, х, У г УЗ 0 преобразователь по фиг,9 формирует отрицательную скачкообразную функцию (фиг,24) и разрывно-линейную функцию (фиг.27).

При X 2

Уд от схемы включения

5

0

5

по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.12, которая формирует двухпо- роговую функцию параллельного ограничения со скачкообразными переходами на уровни органичения () и двухпороговую функцию последовательного ограничения (фиг.28а).

При у, X,, У .х, У х от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.13, которая формирует симметричные функции параллельного (фиг.25б) и последовательного (фиг.286) двухстороннего ограничения.

При у

У,

О

от схе1 - 1

мы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.14, которая воспроизводит функции амплитудной

фильтрации, т.е. является селекторным (фиг.25в) и режекторным (фиг. 28в) фильтрами уровней сигнала.

При у, у X, y,j О от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.15, которая является режекторным (фиг.25г) и селекторным (фиг.28г) фильтром уровней сигнала. ,

При у , X от схемы включения по фиг.9 приходм к схеме включения по фиг.16, которая воспроизводит двух- пороговую функцию двухуровневого ограничения с линейным начальным участком (фиг.25д) и линейно-разрывную функцию (фиг.28д).

При у „ X от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.17, которая воспроизводит двух- пороговую функцию двухуровневого ограничения с линейным конечным участком (фиг.25е). и линейно-разрывную функцию (фиг.28е).

При У 5 -X от схемы включения по

фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.18, которая,формирует N-образную функцию с ограничениями на начальном и конечном участках (фиг.26а) и линейно-разрывную функцию с удвоением наклона на среднем участке (фиг„29а),

При у ,, х У У О от схедвухпороговую функцию с одноуровневым ограничением и с инверсией линейной зависимости на конечном участ ке (фиг,26д) и линейно-изломную функ г tmin с удвоением наклона на конечном участке (фиг.29д).

При у у X, у -X от схе- мы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.23, которая

JO формирует N-образную функцию с линейными продолжениями на первом и конечном участках (фиг.26е) и функцию селекторной фильтрации уровней сигнала с удвоением наклона харакf5 теристики (фиг.29е).

Таким образом, двухпороговый фун- кциональньш преобразователь и его частные схемы включения воспроизводя несколько семейств нелинейных типо20 вых функций.

Формула изобретения

Многопрроговый функциональный преобразователь, содержащий N аналоговых релейных элементов, каждый

25 из которых выполнен в виде компаратора, подключенного выходом к управляющему входу переключателя, выход переключателя (i-ro ( N-t) аналогового релейного элемента со30 единен с первым информационным входом переключателя (i + 1)-го аналогового релейного элемента, первые входы компараторов аналоговых релейньтх элементов объединены и под2 -- / 1 -- 3

мы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.19, которая формирует инвертирующую функцию селек- 35 ключены к входу преобразователя, торной фильтрации уровней сигнала выход переключателя N-ro аналогово- (фиг.26б) и линейно-разрывную функцию (фиг.296).

При у -X, у X от схемы вклюго релейного элемента является первым выходным выводом преобразовате, „. ля, отличающийся тем,

чения по фиг.9 приходим к схеме вклю- что, с целью расширения класса вос- чения по фиг.20, которая формирует производимых функций, в нем вторые двухпороговую функцию с одноуровневым входы компараторов N аналоговых ре- ограничением и с инверсией линейной лейных элементов подключены к соот- зависимостью на первом участке ветствующим N шинам задания порого- (фиг.26в) и линейно-изломную функцию вых. напряжений, первый и второй ин- с подавлением сигнала на среднем уча- формащюнные входы переключателя стке (фиг.29в). При

О,

- X.

у

X от

, -, у, - .

схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.21, которая формирует модуль-функцию с ограничением на конечном участке (фиг.26г) и линейно-изломную функцию с подавлением сигнала на среднем участке (фиго29г).

50

55

первого аналогового релейного элемента и вторые информационные входы переключателей аналоговых релейных элементов с второго по N-й соединены соответственно с шинами задающих Напряжений с первой по (N + 1)-ю, объединенные первые входы компараторов аналоговьк релейных элементов являются относительно выхода переключателя N-ro аналогового релейного элемента вторым выходным выводом преобразователя.

При у „ X,

УЗ -X

от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.22, которая формирует

двухпороговую функцию с одноуровневым ограничением и с инверсией линейной зависимости на конечном участке (фиг,26д) и линейно-изломную функ- tmin с удвоением наклона на конечном участке (фиг.29д).

При у у X, у -X от схе- мы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.23, которая

формирует N-образную функцию с линейными продолжениями на первом и конечном участках (фиг.26е) и функцию селекторной фильтрации уровней сигнала с удвоением наклона характеристики (фиг.29е).

Таким образом, двухпороговый фун- кциональньш преобразователь и его частные схемы включения воспроизводят несколько семейств нелинейных типовых функций.

Формула изобретения

Многопрроговый функциональный преобразователь, содержащий N аналоговых релейных элементов, каждый

из которых выполнен в виде компаратора, подключенного выходом к управляющему входу переключателя, выход переключателя (i-ro ( N-t) аналогового релейного элемента соединен с первым информационным входом переключателя (i + 1)-го аналогового релейного элемента, первые входы компараторов аналоговых релейньтх элементов объединены и подключены к входу преобразователя, выход переключателя N-ro аналогово-

что, с целью расширения класса вос- производимых функций, в нем вторые входы компараторов N аналоговых ре- лейных элементов подключены к соот- ветствующим N шинам задания порого- вых. напряжений, первый и второй ин- формащюнные входы переключателя

50

55

первого аналогового релейного элемента и вторые информационные входы переключателей аналоговых релейных элементов с второго по N-й соединен соответственно с шинами задающих Напряжений с первой по (N + 1)-ю, объединенные первые входы компараторов аналоговьк релейных элементов являются относительно выхода переключателя N-ro аналогового релейного элемента вторым выходным выводом преобразователя.

4

фиг.З

Фб/г. 2

ept/e.tt

У5Iу

У ИЛгИА

Фл г 10

фиг. 11

8) (Ю

12

сриг.13

о- о 2

фиг. 12

Фц г.

Изобретение может быть использовано в качестве кусочно-ступенчатых и кусочно-линейных аппроксиматоров функций для воспроизведения специальных кусочно-разрывных функций (фун- кции аналого-цифрового преобразователя, функции амплитудной свертки, ан- тье-функций, предикатных функций и др.), для воспроизведения некоторых логических операций п-значной логики и пр. Целью изобретения является расширение класса воспроизводимых преобразователем функций. Многопороговый функциональный преобразователь содержит N аналоговых релейных элементов 1, miHy 2 нулевого потен-- циала, N тин 3 задания пороговых напряжений, N + 1 шин 4 задающих напряжений. Каждьй аналоговый релейный элемент 1 содержит переключатель 5 и компаратор 6. Достижение поставленной цели обеспечено благодаря новому схемному построению многопорогового функционального преобразователя и применению аналоговых релейных элементов для амплитудного се- лектирования. 29 ил. (Л оо о о ел О |

ог

фиг. 15

t:

KL

-00

KL

Фш.16

/

-of

Фиг,Г7

т

(Pt/t.f8

7

-О

/J

г

/2

/

t

А

/J

/

&;№;

фиг. 20

L

yoj

yf

13

Т г

Г4

J) С/-.

Фиг.г1

фа г. 22

г

фиг. 23

-ft

-ж-

Кфиг.К л,

У, j-jfj /«шла

Л1

-У,

HiputfO

Vt

1

t

)

,

r:. t

и

.

- П/

/f

Т Kqiuit

I /

v

i

I /

y,-

KiputS

7f

Кфиг.З

M.yi

/(ipuifT

Hi

у 111

КчялЯ

I /

.У)

((

I /

Vi I К (putt

У

у,

Ч

КфУ1.П

к фиг 13

Фиг г 5

Редактор М.Келемеш

e ifV/gvtts43ttt.ti

Составитель А.Маслов

Техред М.Ходанич Корректор Л.Патай

Заказ 1151/49 Тираж 673Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

Фиг S