Устройство для вычисления тангенса Советский патент 1992 года по МПК G06F7/548 

VI U

i-N

;0 io

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в телеметрических информационно-измерительных системах и вычислительно-управляющих комплексах. Целью изобретения является повышение точности и упрощение устройства. Устройство содержит три преобразователя 1-3 код-частота, элемент И 4, два реверсивных счетчика 5, 6, коммутатор 7, входы 8-11, выход 12 элемент НЕ 13, выход 14 и элемент И 15. Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании простого устройства для получения танген- сной зависимости повышенной точности с одновременным преобразованием ШИМ- сигнала в код при усреднении импульсных потоков и частотным заданием опорных величин для реализации воспроизводимой функции дробно-рациональной аппроксимацией четвертого порядка, позволяющего отслеживать изменение входных величин в процессе непрерывного формирования результата, посредством организации двух структур с отрицательной обратной связью, компенсирующие воздействия в которых вырабатываются и передаются в частотном виде с совмещением функций умножения и преобразования кода в частоту, а также функций частотного поразрядного мультиплексирования и суммирования, причем при передаче результатов с первого контура на второй одновременно выполняется умножение опорного кодового эквивалента и вре- мяимпульсного1 аргумента. 1 ил.

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

Целью изобретения является повышение точности при одновременном упрощении устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее с первого по третий преобразователи код-частота, элемент

И, первый и второй реверсивные счетчики, коммутатор, входы первый и второй коэффициентов аппроксимации, кода масштабирующего коэффициента, широт- но-импульсного модулированного сигнала устройства и его выход, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены соответственно с вычитающим входом первого счетчика и первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с управляющим входом коммута-opa i. ьходон широтно-импульсного модулированного сигнала устройства, первый выход .шторого объединен с выходом вто- рого счетчикэ и кодовым входом третьего пгеооразовачеля код-часто га, а первый и второй информационные входы коммутатора являются соответствующими входами коэффициентов аппроксимации устройства, в едены эпемент НЕ, второй выход устройства т второй элемент И, первый вход кото- рого подключен к выходу третьего преобразователя код-частота, а второй - через злеиент НЕ к входу широтно-импульс- ного модулированного сигнала устройства, выход кода масштабирующего коэффициента которого соединен с кодовым входом второго преобразователя код-частота, подсоединенного частотным входом к выходу первого преобра оовагеля код-частота, кодовый вход которого объединен со вторым выходом устройства и зыходом первого счетчика, суммирующий вход которого соединен с частотным входом третьего преобразователя код-частота и с первым разрядом выхода коммутатора, а второй разряд этого выхода подключен к частотному входу первого преобразователя код-частота, при этом суммирующие и вычитающие входы второго счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно.

Вышеизложенное свидетельствует о наличии в заявляемом техническом решение отличительных от прототипа признаков, включающих как дополнительные элементы (элемент НЕ, элемент И), так и ранее неиз- вести ые связи между ними и элементами прототипа.

Докажем существенность отличительных признаков предгагаемоготехнического решения.

Введенные в устройство цифровые эле- меьты широко применяются в вычислительной технике: элемент НЕ - для выполнения операции инвертирования; элемент И -для реализации операции конъ- юнкции.

В предлагаемом техническом решении вводимые элементы, как и остальные элементы устройства, используются по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако, взятые з совокупности, эти элементы и элементы прототипа проявляют новое свойство - кодирование ШИМ-сигнала по закону тангенсной функции с повышенной точно- стью при одновременном упрощении устройства и расширении его функциональных возможностей - не повторяющее ни одно из известных свойств, отличительных признаков и не являющееся их суммой. Другими

словами, каждый из введенных элементов, отдельно взятый, необходим для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все вместе взятые, т.е. с учетом их взаимосвязей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других устройств подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате, а именно; в повышении точности при одновременном упрощении устройства.

Из сказанного следует, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от известных технических решений.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании простого устройства для получения тангенсной зависимости повышенной точности с одновременным преобразованием ШИМ-сигнала в код при усреднении импульсных потоков и частотным заданием опорных величин для реализации воспроизводимой функции дробнорациональной аппроксимацией четвертого порядка, позволяющего отслеживать изменение входных величин в процессе непрерывного формирования результата, посредством организации двух структур с отрицательной обратной связью, компенсирующие воздействия в которых вырабатываются и передаются в частотном виде с совмещением функций умножения и преобразования кода в частоту, а также функций частотного поразрядного мультиплексирования и суммирования, причем при передаче результатов с первого контура на второй одновременно выполняется умножение опорного кодового эквивалента и вре- мяимпульсного аргумента, благодаря чему повышается порядок аппроксимации и исключаются кодовые умножители, сумматор, избыточный преобразователь код-частота и снижается разрядность коммутатора.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства для вычисления тангенса.

Предлагаемое устройство содержит три преобразователя 1-3 код-частота, элемент И 4, два реверсивных счетчика 5. 6, коммутатор 7, входы 8-11 соответственно первый и второй коэффициентов аппроксимации, кода масштабируемого коэффициента, ши- ротно-импульсного модулированного сигнала устройства и его выход 12, причем выходы преобразователей 1, 2 код-частота соединены соответственно с вычитающим входом счетчика 5 и первым входом элемента И 4, второй вход которого объединен с управляющим входом коммутатора 7 и входом 11 широтно-импульсного модулированного сигнала устройства, выход 12 которого объединен с выходом счетчика б и кодовым входом преобразователя 3 код-частота, а первый и второй информационные входы коммутатора 7 являются соответственно входами 8, 9 коэффициентов аппроксимации устройства. Устройство содержит также элемент НЕ 13, второй выход 14 устройства, и элемент И 15, первый вход которого подключен к выходу преобразователя 3 код-ча- стота, а второй - через элемент НЕ 13 к входу 11 широтно-импульсного модулированного сигнала устройства, вход 10 кода масштабирующего коэффициента которого соединен с кодовым входом преобразовате- ля 2 код-частота, подсоединенного частотным входом к выходу преобразователя 1 код-частота, кодовый вход которого объединен со вторым выходом 14 устройства и выходом счетчика 5, суммирующий вход ко- торого соединен с частотным входом преобразователя 3 код-частота и с первым разрядом выхода коммутатора 7, а второй разряд этого выхода подключен к частотному входу преобразователя 1 код-частота, при этом суммирующие и вычитающие входы счетчика 6 соединены с выходами элементов И 4, 15 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени реверсивные счетчики 5, 6 находятся в нулевом состоянии. На вход 10 подается код масштаба N, на вход 11 - широтно-им- ПУЛЬСНЫЙ модулированный (ШИМ) сиг- нал с относительной длительностью v, а на информационные входы 8, 9 поразрядно - последовательности импульсов опорных частот f02, f04 И foi, f03.

С первого разряда выхода коммутатора 7 на суммирующий вход счетчика 5 поступают импульсные последовательности опорной частоты foi в течение действия ШИМ-сигнала и опорной частоты fo2 в его отсутствие. При этом первый импульс, появившийся на пер- вом разряде выхода коммутатора 7, записывается в счетчик 5 и сделает его содержимое отличным от нуля.

Преобразователь 1 код-частота работает через коммутатор 7 с опорной частотой foa в течение действия ШИМ-сигнала и с опорной частоты его отсутствие Этот преобразователь включен в цепь обратной связи счетчика 5 и начнет вырабатывать импульсную последовательность ,так как управляющий им код NZ-I с выхода счетчика 5 стал отличен от нуля.

Последовательность импульсов с выхода преобразователя 1 непрерывно поступает на вычитающий вход счетчика 5 и на частотный вход преобразователя 2 код-частота.

Импульсная последовательность, выработанная преобразователем 2 код-частота, под воздействием кода масштаба N в течение действия ШИМ-сигнала поступает через элемент И 4 на суммирующий вход счетчика 6. После того, как выходной код Nza счетчика 6 принял ненулевое значение, преобразователь 3 код-частота, работающий через коммутатор 7 с опорной частотой foi в течение действия ШИМ- сигнала и с опорной частотой fo2 - в его отсутствие, начнет вырабатывать импульсную последовательность. Во время отсутствия ШИМ-сигнала, благодаря разрешающему сигналу с выхода элемента НЕ 13, эта последовательность импульсов с выхода преобразователя 3 поступает через элемент И 15 на вычитающий вход счетчика 6.

Далее процесс повторяется аналогичным образом, и при достижении равенства числа импульсов за период следования ШИМ-сигнала, поступающих на суммирующий и вычитающий входы для обоих счетчиков, устройство переходит в режим динамического равновесия, при котором выходные коды счетчиков соответствуют требуемым результатам.

Все элементы предлагаемого устройства являются хорошо известными. Если, например, представить реализацию устройства на системе элементов ТТЛ, то можно выбрать следующие микросхемы: преобразователи 1-3 код-частота могут быть выполнены, например, на основе микросхемы К155ИЕ8, в качестве реверсивных счетчиков 5, 6 можно использовать, например, микросхему К155ИЕ7, коммутатор 7 можно выполнить, например, на основе микросхемы К531КП11, в качестве элементов И 4,15 можно использовать микросхему К155ЛИ1, а в качестве элемента НЕ 13 - микросхему К155ЛН1,

В основу работы устройства положен итерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы и автоматической компенсации частотно-импульсных последовательностей, реализуемой с помощью отрицательной обратной связи, при частотном задании опорных величин и организации из двухканального частотного коммутирования для одновременного использования в вычитающей цепи дополнительного контура и суммирующей цепи главного контура, а затем наоборот, причем осуществляется умножение кодовоимпульс

гюе по s/icny кодов и вреияимпульсное поk - 0,1,2,,,.;

всем частотно-импульсным цепям, бла-п - разрядность преобразователей кодгодзря чему увеличивается порядок ап-частота.

проксимирующего дробно-рациональногоТак как в интервалах времени kT t

выражения и создается возможность более5 (kT + т) среднее значение частоты импульпростого и точного вычисления тангенснойсной последовательности, подаваемой на

функции.преобразователь 2 код-частота, определяетВ качестве схемы сравнения, вырабаты-ся из выражения

вающей сигнал рассогласования, в контуре- . fos,

обратной связи используется реверсивный10 -5(т ,v) --NZI

счетчик 6, с помощью которого выполняет-то импульсная последовательность, постуся, во-первых, суммирование импульсныхпающая на СуММиРУющий вход счетчика 6,

потоков, во-вторых, вычитание и, в-третьих,характеризуется следующим средним знаинтегрирование полученной разности с выда-чением частоты

чей результата в виде двоичного кода. Кроме15 /

главного контура отрицательной обратнойI-2 NziN , при kT i (kT+ r),

связи на основе счетчика 6, здесь имеется- р

дополнительный - на основе счетчика 5.r+6lt,v)- /

Условием динамического равновесия Д npnkT+ т t (k+1)T. устройства является равенство приращений20 Таким образом, средние значения рас- кодов суммирующих и вычитающих цепей всматриваемых частот с учетом ШИМ-моду- каждом реверсивном счетчике в течение пе-ЛЯ1 ИИ ПРИ прямой v и инверсной v (1 - v) риода следования ШИМ-сигнала аргумента,относительных длительностях за период Т т.е. равенство средних значений частот им-ШИМ-сигнала определяется выражениями пульсных последовательностей, поступаю-25

щих на суммирующие и вычитающие входы +5 foiv + fo2(1 - v); реверсивных счетчиков

- - -F-5 NZlv+ NZl(1 -v)

, . (1)2n 2n П J

30 NZIСредние значения этих импульсных после- Ijoav + то4(1 - vjj, довательностей определяются соответственно функциональными характеристиками f

F+6 SNziNv;

foi, при kT t (kT + r ),35 2

F-6 NZ2(1 v).

foa, npnkT+ (k+1)T;2n

-,пм I/T t ri/т + т Подставляя эти выражения в условия (1)

,-rNZ-| , при i S tS (.ki + Т J,4Q

(tv) ,fow + fo2(1 - v) - {foav + fo4(1 - v); NZ, при kT + T t (k + 1)T;

Г45 bNziNv |NZ2()

(F SN при kT t (kT+т)получим следующие зависимости для кодов

J 2nреверсивных счетчиков 5, 6 соответственно

(t.v) )м 0.

(О , npnkT+ т t (k+1)T;нггг f v.Ј r,v)

s50 ,

(0, npnkT т (kT+ Т), KV L

F-6M /n....r VH,4(i-vlP

(MNz2,npMkT + (kH)T; -( Ј«1М|

где x - текущее время; , jo3V

v - относительная длительностьWi-v) + i0(-v)

ШИМ-сигнала с периодом Т и длительно-. Таким °бразом УСТР°ЙСТВО Реализует

стью импульсов т;функциональные зависимости, представ ленные отношением двух полиномов первой и второй степени относительно аргумента v соответственно, благодаря чему может быть произведен широкий набор тригонометрических функций.

В качестве примера для получения тан- генсной зависимости достаточно задаться следующим отношением опорных частот:

f02 f03,

foi f04

m

m +1 где m 1,8015. Тогда

f02,

Uv XH-vTjiMVt Јlet(,.v,

JLrmV rYlt)U .

m-Hl- N ТГ7 , 1 (т,(,-Л

N

M mV + w- m v + - ( + Vt- m- m V

V(HPM-Y)v / -V

M --- . - N

())(tr + v) I mri-v

Это выражение, как известно , при данном значении m является аппроксимацией тангенсной зависимости

NZ2 ,

в диапазоне 0 v 0,9999 с методической погрешностью ,008 %.

Таким образом, по точности функционального кодирования ШИМ-сигналов со- гласно тангенсной зависимости предлагаемое устройство превосходит прототип не менее чем в 6,8 раза, за счет обеспечения снижения методической погрешности.

Одновременно предлагаемое устрой- ство существенно проще прототипа, так как позволило отказаться от использования ряда блоков прототипа (одного преобразователя код-частота, трех кодовых умножителей, одного вычитателя и одного элемента ИЛИ), а вместо этого добавились

лишь один элемент НЕ и один элемент И.

Приведем количественную оценку упрощения устройства, например, для 16 разрядных структур, ориентируясь на единицу отсчета по сложности и конструкторско-тех- нологической реализации - одна средне- масштабная интегральная схема (1 СИС). На указываемой ргнее элементной базе каждый из следующих элементов реализу- ется на 4-х СИС: преобразователь код-частота (Lo/f 4), счетчик (Цт2 4), сумматор-вычитатель (Lsub 4). Мультиплексор реализуется в прототипе на 16 разрядов, т.е. также требует 4-х СИС (LMUxi6 4),

5

0

15

0

5

0

5

0 5

0 55

а в заявляемом устройстве достаточно двухразрядного мультиплексора, т.е. 1-й СИС (1-мих2 1). Умножители в прототипе могут быть выполнены на БИС К1802ВР4 или К1802ВР5, и можно условно принять, что по сложности и конструкторской технологической реализации 1 БИС соответствует как минимум 4-м СИС (LMpL 4). Элементы малой степени интеграции у прототипа и заявляемого устройства обладают практически эквивалентной сложностью.

Таким образом, определим сложность прототипа

Lnpor + 2L.CT2 + Lsub + LMux16 + 3LMpL- 4-4 + 2-4 + 4 + 4 + 3-4 44 и заявляемого устройства

L-заявл 3Lo/f + 2Цт2 + LMUx2 3-4 + 2-4 + +1 21.

Следовательно, в сопоставимой конструкторской технологической среде проектирования имеет упрощение заявляемого устройства по сравнению с прототипом более чем в 2 раза. Естественно, что в другой конструкторско-технологической среде проектирования, например, на основе базового матричного кристалла или в виде специализированной интегральной схемы, полученное соотношение или сохраняется, или изменяется несущественно.

Предлагаемое устройство является к тому же простым и технологичным, из-за существенно более простой трассировки, связанной с меньшим числом шинных связей между блоками устройства, а также между входом и выходом.

Число этих линий связи (на схемах шинные линии выделены как групповые по ГОСТ 2.751-73, т.е. представлены двойной-тройной толщиной) для прототипа .равно 16, а для предлагаемого устройства 5, откуда видно, что произошло упрощение устройства по шинным связям более чем в 3 раза.

Кроме того, уменьшилось и число пересечений шинных связей с однопроводными линиями связи, что также упрощает трассировку и повышает технологичность устройства.

Важным достоинством заявляемого устройства для вычисления тангенса являются его более широкие функциональные возможности. Это предопределено возможностью получения двух разных и самостоятельных функциональных характеристик.

Например, одновременно с получением тангенсной зависимости на первом выходе устройства, на его втором выходе при тех же соотношениях опорных величин можно пол-«г

учить множительно-длительную зависимость

Bio.v teit«-v) )

Z( r V+JH, (. ul «v+-(

(™HHou(bv1 птуЧтиТО-И Im + + )2 (mv()V+m(1-V)

mV + m-mv-H-v лц m-U-v

9 J

т v V t т - т vm + v

а при обеспечении исходных соотношений опорных частот

f01 f03, f02 f(M

получаем множительно-делительную зависимость вида:

м - ц + faO - v)

NZ2 Nfo2(1 -vXfOIV +f02(1 -V)

N

foav

fba(1 -v)

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности, что приведет и к расширению области его применения.

В результате сокращения затрат оборудования и шинных связей повысилась и надежность устройства, численные характеристики которой будут зависеть от способа технологической реализации.

Стоимость предлагаемого устройства ниже стоимости прототипа при одинаковых условиях производства, что обусловлено сокращением затрат оборудования не меньше чем в 2 раза и исключением более чем в 3 раза шинных связей.

Таким образом, предлагаемое устройство является к тому же более однородным, а при сопоставлении в единой конструктор- ско-технологической среде проектирования будет иметь меньшие габариты и вес.

Формула изобретения Устройство для вычисления тангенса, содержащее с первого по третий преобразователи код-частота, первый элемент И, первый и второй реверсивные счетчики и коммутатор, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены соответственно с вычитающим входом первого реверсивного счетчика и первым

входом первого элемента И, второй вход которого соединен с управляющим входом коммутатора и входом широтно-импульсно- го модулированного сигнала аргумента устройства, выход второго счетчика соединен с

кодовым входом третьего преобразователя код-частота, первый и второй двухразрядные информационные входы коммутатора соединены со входами соответственно первого и второго коэффициентов аппроксимации устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения устройства, в него введены элемент НЕ и второй элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом третьего преобразователя код-частота и выходом элемента НЕ, вход которого соединен со входом широтно-импульсно модулированного сигнала аргумента устройства, вход кода масштабирующего коэффициента

которого соединен с кодовым входом второго преобразователя код-частота, частотный вход которого подключен к выходу первого преобразователя код-частота, кодовый вход которого соединен с выходом первого реверсивного счетчика, суммирующий вход которого соединен с частотным входом третьего преобразователя частота-код и с выходом первого разряда коммутатора, выход второго разряда которого соединен с

частотным входом первого преобразователя частота-код, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с суммирующим И вычитающим входами второго реверсивного счетчика, выход которого

соединен с выходом тангенса устройства.

Ј

гл

3

И

10,

п

/V

L