Обратимый преобразователь координат Советский патент 1976 года по МПК G06G7/22 

1

Изобретение относится к классу тригонометрических вычислителей, которые широко используются в автоматике и вычислительной технике для решения навигационных задач летательных аппаратов: преобразование прямоугольной системы координат в полярную (и обратной операции), поворот системы, координат.

Известен обратимый преобразователь координат, который состоит из электронных узлов и выдает результаты вычислений в цифровой форме fij.

Известен также обратимый преобразователь координат, содержащий переключатели, синусный и косинусный цифро-аналоговы.е преобразователи, цифровые входы, которых подключены к соответствующим выходам младших разрядов регистра угла, сумматор с присоединенным к его выходу компаратором, инвертор, вход которого через первый переключатель подключен к аналоговым входам устройства, преобразователь код-напряжение, входы которого соединены, с соответствующими выходам,и управляющего и входам,и вспомогательного регистров, и блок управления, входы кото

рого соединены с выходом компаратора и с соответствующими выходами старших разрядов регистра угла, а выходы подключены к соответствующим управляющим входам всех регистров и переключателей Г21 .

Однако такие устройства характер1кзуются сравнительно невы,соким быстродействием, изм,еряемы,м десятками миллисекунд. Входящие в схему гармонического осциллятора аналоговые интеграторы требуют для своей работы прецизионные и высокостабильные конденсаторы. Поскольку создание высококачественных конденсаторов является задачей более сложной, чем создание высококачественных резисторов, наличие конденсаторов является фактором, ограничивающим, предельную точность обратимого преобразователя координат. Кроме того, конденсаторы значительной емкости являются навесными дискретными компонентами, что затрудняет полное м,икроэлектронное исполнение вычислителя и приводит к увеличению его габаритно-весовых показателей. Для преобразования временных интервалов в код требуется высокостаэильный по частоте генератор импульсов. Цель изобретения - повысить точность и быстродействие преобразователя. Это достигается тем, что в предложенном, устройстве аналоговые входы, синусного и косинусного цифро-аналоговых преобразователей подключены через две группы переключателей соответственно к аналоговьгм входам, устройства и выходу инвертора, входы сумматора присоединены через второй и третий переключатели к выходам синусного и косинусного цифро-аналоговых преобразо.вателей и к шине нулевого потенциала, а свободный вход компаратора через четвертый переключатель подключен к выходу преобразователя код-напряжение и к шине нулевого потенциала. На чертеже дана структурная схема обратимого преобразователя координат. Преобразователь содержит швертор 1, косинусный 2 и синусный 3 цифро-аналоговые преобразователи, регистр угла, состоящий из старших 4 и младших 5 разрядов, блок управления 6, сумматор 7 со входакет 8 и 9, компаратор 10 со входами 11 и 12, преобр 13ователь код-напряжение 13, управляющий регистр 14, вспомогательный регистр 15 с управляюшим входом 16, кодовую шипу 17, переключатели 1S-27. Взаимодействие всех л-злов и блоков раТ1ь ;ого преоораоователя коорцинат в различных Рэжшчтах его обеспечивается с помощью блока упрлаления 6. Блок управлени предста.ачяет собой цифровой автомат, закон функционирования которого задается внешними сиг}1плами режима работы устройства А i Б, С к D . Выходами блока управления б являются сигналы записи информации в регистры 4, 5, 14, 15, а также сиг калы управления переключателями (аналоговыми ключами) 13-27. Сигналы управления переключателями показаны на чертеже пунктирными линиями со стрелкам.и. Коэффициент передачи косинусного и синусного цифро-аналоговых преобразователей определяется всем.и разрядами блока младших разрядов 5 регистра угла. Реализация функций sin в исобв осуществляется мето дом кусочно-линейной аппроксим.ации в интервале , Напряжения tlj. и Ц с выходов преобразователей 2 и 3 чере переключатели25 и 26 соответственно могут подаваться на входы 8 и 9 сумм.атора 7, который служит для алгебраического сум мирования с коэффициентами передач, равны ми единице, напряжений, действующих на ег входах. Выход сумматора постоянно соединен со входом 11 компаратора 10. Вход 1 компаратора 10 через переключатель 27 м жет соединяться с выходом преобразователя ог;-иатдря:; о1гия 1 о. Послал пи и оОестечивает швейную зависимость между выходным наггрхением UJI,K кодом, записанньпуг в }Т1равляк ем регистре 14. Содержим.ое управляющего регистра 14 моет переписы.ваться во вспомогательный реистр 15 при наличии разрешающего сигнала а входе 16. Рассмотрим, работу обратим.ого преобразоателя координат в различных режимах его ункционирования. Режим А. Преобразование прямоугольной систем.ьг. координат в полярную. На аналоговые вхо.ды устройства постуают напряжения U и Цч- , моделирующее некотором, масштабе координаты, х и у ектора 7 . Кроме того, на входе А блока правления 6 появляется признак режима онстанта 1 ( О). Связь полярной системы, координат с пря.оугольной выражается формулами: 0 apct(u /U ), де UD - напряжение, пропорциональное моулю вектора R , причем. О 0 - аргумент вектора IR .5Г. В устройстве преобразование прямоугольных координат в полярные сводится к тому, что в начале находится кодовый эквивалент угла 0 , для чего организуется дискретный поворот вектора К , представленного своими проекциям.и U) и UM ) в направлении одной из координатных осей до тех пор, пока одна из проекций вектора R не станет равной нулю. В это время другая проекция вектора н соответствует модулю вектора. Поэтому на следующем, этапе можно пере содить к кодовому представлению модуля вектора R Перед началом, преобразования регистр угла (блоки 4 и 5) и регистры 14 и 15 сброшены в О, переключатели 26 и 27 подключают входы 9 и 12 блоков 7 и 10 соответственно к нулевому потенциалу (общей шине устройства), переключатель 25 соединяет вход 8 сумматора 7 с выходом косинусного цифро-аналогового преобразователя 2. В первых двух тактах производится нахождение квадранта, в котором находится вектор R . Для этого блок управления 6 последовательно замыкает и размыкает переключатели 19 и 20. При этом напряжение Uv и LI 5 передаются о единичным коэффициентом усиления через косинусный цифроаналоговый преобразователь 2 и сумматор

7 на вход 11 компаратора 10, ь.оторый проверяет выполнение соотношений U 2.0;

U --0.

По сигналам с выхода компаратора 1О блок управления 6 записывает в регистр угла значения старших разрядов , и 2, В последующих ( п - 2)- х тактах производится формирование разрядов f р регистра угла, соответствующих углу

), 1--де m - номер квадранта (т ОД, 2, 3).

Нахождение цифровых значений угла 0,осуществляется путем дискретных поворотов вектора R на фиксированные значения углов в отрицательном, направлении (т.е по ходу часовой стрелки) к координатной оси в соответствии с уравнениями векторного вращения

а)

и U COSA: +U SinAj,

XЛLJ

J ау cosAi -u sinA-,

f5)

u

гдеи и U( - новые значения координат вращаем.ого вектора.

В уравнениях (2) и (3)А (1 3, 4, . . . ,П ) означает суммарное значение угла поворота на i -ом, щаге преобразования.

Для алгоритм:а поразрядного кодирования численно

(4)

,

где (i.- :1Г)2 - угол поворота вектора R на I -ом, шаге преобразования.

Во время работы обратим,ого преобразователя координат в режиме А реализуется только одно из уравнений (2) и (3). Выбор уравнения производится на основании значений рс.зрадов( ,32 ,2 выбирается уравнение (З), а для гг. 1,3уравнение (2)

Нахождение значений j ( I 3, 4, .

,h ) производится по изменениям

знака выбранной проекции с пом.ошью компаратора 10. Если после поворота векТора f( на угол-tJv его проекция ( Uji или Ну ) не меняет свой знак, то i 1, и наоборот. В конце цикла преобразования в регисре угла будет сформирован код, который с точностью до погрещности дискретизации пропорционален углу 0

Следующая операция в режиме А заключается в кодовом представлении модуля вектора R . Для этого блок упраапения 6. замыкая соответствующие переключатели, обеспечивает набор того из уравнений (2) или (З), которое не использовалось при ко6

дировании угла. Пера;кл-;очатели 18-24 устанавливаются в такое положение, чтобы

U,-U /u;, (для .п 0,2) С5) илиJ

(для m 1,3) С6)

Для кодирования напряжения U.j вход 12 компаратора 10 через переключатель 27 соединяется с выходом, преобразователя код-напряжения 13. Управление преобразователем. осуществляется со стороны, управляющего регистра 14, который в свою очередь устанавливается по сигналам с выхо,ца блока управления 6. Информацию для блока управления несут сигналы с выхода компаратора 10, который яа каж,дом щаге алгоритма поразрядного кодирования осуществляет проверку соотношения В конце цикла преобразования в регистре 14 будет зафиксирован код, пропорциональНЬ.Ш UR.

Режим В. ,Преобразование полярной системы, координат в прямоугольную.

В этом режиме на один из аналоговых входов устройства ( U или Uy ) подается напряжение UR, пропорциональное oдyлю вектора т , а в регистр угла записывается п - разрядный код

Л-2,

1

0,.5Г 2 /г--- -3,%

30

представляющий аргук- 9нт вектора R . ТОГО: на Входе В блока управления 6 появляется признак ргжпм,а - к1,ч1С:-анта ( С D о). Переход от полярной системы координг.т к пря,ч;оуго,г-ьной осуществляется по формулал;

. S

Ы U

Необходимая иолярнасть Uj и UY обеспечивается путем соответствующей коммутации иереключа елей 18-24 по значениям разрядов j и 2 Ри этом от значения 0

в формулах (7) и (В) необходимо перейти

, i/ ,

к нормализованному аргументу (Q

/ . ГДР

m

0(6 )%.

После этого

значения прое1щий U и Uy представляются в виде, отличном от форм,ул (7) и (8) в зависим,ости от ном,ера квадранта m , в который попадает вектор R

для m 0,2;дляпп 1,3;

(0).sin(e

u (e) S случае необходимости обратимы,й цреобразователь координат обеспечивает преобразование полученных напряжений Их и UY в код. Для этого напряжения Ug и УЗ после довательно во времени подаются через сумматор 7 на вход 11 компаратора, а вход 12 которого через переключатель 27 соединяется с выходом, преобразователя 13. Во время кодирования одного из напряж ний { 1/2 или Из) другой вход (9или 8) сумматора 7 через переключатель 26 или 25 соответственно подключается к нулевому потенциалу. Результат кодирования фиксируется в управляющем, регистре 14. Прежде чем перейти к кодированию следующего напряжения, с одержимое управляющего регист ра 14 переписывается во вспомагательный регистр 15. Передача информации во вспомагател ный регистр 15 осуществляется по сигналу из блока управления 6, поступающему по входу 16 После этого обнуляется управляющий регистр 14 и начинается кодирование следующего напр жения. Режим С. Поворот системы координат. На аналоговы.х входах устройства действуют напряжения U и Uy , представляющие старое положение вектора R на плоскости. На вход С блока управления 6 подается признак режим.а - константа 1 ( О). После начальной установки устройства в регистр угла записывается код угла К представляющий собой значение угла поворота системы координат в диапазоне , , Знак угла Л записывается в ячейку j блока 4, а код угла Л - в блок 5. Новые координаты вектора К представ ленные в виде напряжений UM , связаны со стары.ми посредством, соотношений и U СОЬА tU.,SLnA 1 U и СОбЛ ± U 51 П Л . УJА Верхние знаки в правых частях уравнений (9) и (1О) берутся при Л О, нижние - . После анализа знака угла А блок управления 6 устанавливает переключатели 18-24 в такое положение, чтобы, обеспечить необходим.ую величину и зна проекции Ux в соответствии с уравнением (9), а переключатели 25 и 26 - в положе ние, обеспечивающее подачу напряжений Uo и и, соответственно на входы 8 и 9 сумматора 7. Проекция и в виде напряжения Hf преобразуется в двоичный код, которы.й фиксируется в управляющем, регист ре 14. Содержимое управляющего регистра 14 переписывается во вспом.огательный регист 15, после чего управляющий регистр 14 о уляется. После этого набирается уравнеие (б) так, чтобы.U U, Затем, кодируется напряжение U7 , и езультат кодирования остается в управлящем, регистре 14. Для получения значений новых коордиат также в виде напряжений в следующем акте набирается уравнение (9) и и Что касается проекции Uу, то с точностью /s- J/до погрешности дискретизации Режим. D. Преобразование угловы.х положений синусно-косннусных датчиков информации На аналоговы.е входы устройства поступают напряжения , , где в - угол поворота ротора датчика. На входе ) блока управления 6 действует признак режим.а - константа 1 (А ). Если напряжения U и Uy интерпретировать как координаты некоторого вектора R , то задача кодирования угла в решается аналогично задаче нахождения аргумента вектора В. в режиме Л . При этом в регистре угла формируется код угла (Uy/u) . Обратимый преобразователь координат отличается вы.сокими статическими и дина;ляческими характеристиками и вьщает информацию в виде напряжений и их кодовых экви.валентов. Формула изобретения Обратимый преобразователь координат, содержащий переключатели, синусный и косинусный цифро-аналоговые преобразователи цифровы.е входы которых подключены к соответствующим выходам младщих разрядов регистра угла, сумматор с присоединением к его выходу компаратором, инвертор, вход которого через первый переключатель подключен к аналоговым входам устройства, преобразователь код-напряжение, входы которого соединены с соответствующими выходами управляющего и входами вспомогательного регистров, и блок управления, входы которого соединены с вькодом компаратора и с соответствующими выходами старщих разрядов регистра угла, а выходы подключены к соответствующим управляющим входам всех регистров и переключателей, отличающийся тем., что, с целью повышения точности и быстродействия, в нем аналоговые входы синусного и косинусного цифре-аналоговых преобразователей подключены через две группы переключателей соответственно к аналоговым входам устройства и выходу инвертора, входы сумматора присоединены через второй и третий переключатели к выходам синусного и косинусного цифро-аналоговы,х преобразователей и к шине нулевого потенциала, а свободный вход компаратора через четвертый переключатель подключен к выходу преобразователя код-напряжение и к шине нулевого потенциала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1- Корн Г., Корн Т. Электронные аналоговые и аналого-цифровые машины,, ч.1, Мир, 1967, стр. 435-455. 2. Патент США № 3472011, кл. 235-197, 1969.