Устройство для моделирования переменной емкости Советский патент 1976 года по МПК G06G7/48 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ

ЕМКОСТИ

му Что указанный выше переменный коэффициен в этих уравнениях часто представляет собой сложную зависимость от искомой функции, которую обычно не удается представить в явной форме.

Участки цепей, соединенные с каждым конденсатором, содержат резисторы.

Через каждый резистор проходит электрический ток в то время, когда соответствующий конденсатор отключен от рабочей цепи, поэтому в такой цепи происходит не строгое изменение рабочей емкости, а переключение рабочей цепи от емкости на сопротивление. Это затрудняет решение сложных задач теории поля, поскольку процесс их решения про должается значительное время (например, несколько секунд или более, в течение которого токи, проходящие через указанные сопротивления, обусловливают значительную погрешность вычислений. Учет этого факто- ра в процессе вычислений создал бы определенные затруднения.

Кроме того, в таком устройстве и в других устройствах аналогичного назначения скачкообразный характер заряда запоминающих емкостей приводит к амплитудной ошиб.ке.

Целью изобретения является исключение такой ошибки.

Эта цель достигается тем, что устройство, состоящее из блока конденсаторов, блока переключателей, первая группа контактов которого подключена к конденсаторам блока конденсаторов, вторая - к выводу подключения устройства, например одному из узлов моделирующей RC - сетки, и блоку управления переключателями, содержит блок компенсации напряжений, выполненный, наприме в виде повторителя напряжения, вход которого подключен к выводу подключения уст- ройства, а выход - к третьей группе входов блока переключателей.

Емкость относится к реактивным электрическим элементам, следствием чего я&ляется функциональное различие между oneрациями уменьщения и увеличения емкости переключаемых конденсаторов. Это различие заключается в сохранении непрерывности изменения напряжения на рабочей емкости при отключении конденсаторов и в ее нару- щении при подключении резервных конденсаторов к рабочей цепи. Существенно, что напряжение на рабочей емкости одновременно является аналоговой (квазианалоговой величиной, которая, будучи сформирована на RC- сетке (и необходима в вычислительном процессе) в силу закономерностей изучаемого явления, изменяется (в большинстве случаев) непрерывно. Это объясняет важность и обусловливает необходимость обеспечения

непрерывности изменения напряжения на рабочей емкости.

Сущность и причина функционального различия между операциями уменьшения и увеличения емкости системы переключаемых конденсаторов может быть показана на примере.

Рассмотрим сначала два идеальных (т. е. без утечек) конденсатора с емкостями С. и С , соединенны ми один с другим параллельно. Емкость такого составного конденсатора равна С + Cj Пусть теперь конденсаторы С, и Cj, включены в рабочую цепь, например,подключены к узлу RC - сетки. Тогда напряжением 1} на конденсаторах будет напряжение в узле RC - сетки. Отклк чение одного из конденсаторов от узла RC - сетки не вызывает изменения значения U в момент отключения. Таким образом операция скачкообразного уменьшения емкости путем отключения части из конденсаторов, подключенных к рабочей цепи, не нарущает непрерывности изменения во времени напряжения рабочей цепи.

Перейдем к рассмотрению процессов при подключении дополнительного конденсатора к рабочей цепи. Рассмотрим сперва два ид&альных конденсатора с емкостями С и С Обозначим через U и Ug исходные напр$1- жения на этих конденсаторах. Если эти конденсаторы соединить один с другим параллельно и согласно (т. е. плюс с плюсом и минус с минусом), то напряжение на образовавщемся составном конденсаторе станет равным

i - - .

° с

В общем случае величины U. и Uj не раны . Следовательно, результирующее напряжение U(, отличается и от U., и от U. Поэтому операция подключения конденсаторов одного к другому сопровождается обычно скачком напряжений на конденсаторах. Если конденсатор С соединен с рабочей цепью и и - напряжение рабочей цепи, то при подключении (с целью увеличения рабочей емкости) параллельно и согласно конденсатора С, рабочее напряжение изменяется скачком на величину ( U,). Подобные явления происходят и тогда, когда подключается групы, состоящие из нескольких конденсаторов Поэтому можно утверждать, что в обшем случае подключение группы конденсаторов к рабочей цепи, с целью увеличения рабочей емкости, сопровождается нарушением непрерывности изменения во времени напряжения в рабочей цепи, вследствие скачкообразного изменения последней. Функциональное различие между операция ми уменьшения и увеличения емкости систе мы переключаемых конденсаторов проявляет ся здесь в различном влиянии на непреры ность изменения рабочего напряжения: при отключении части параллельных конденсаторов эта непрерывность сохраняется, а при подключении обычно нарушается. Поскольку во время работы вычислитель ной системы могут происходить и уменьшения, и увеличения рабочей емкости, необходимо устранить скачки напряжения на конденсаторах при подключении их к рабочей цепи. В предложенном устройстве переключаемый набор конденсаторов дополнен блоком компенсации, позволяющим устранить скачн ки напряжения при подключении дополнитель ных конденсаторов к рабочей цепи. Блок компенсации обеспечивает непрерывность изменения рабочего напряжения в моменты как уменьшения, так и увеличения рабочей емкости. Возможность устранения скачков напряжения при подключении конденсаторов к рабочей цепи ( при отключении таких нет) вытекает из написанного выше выражения для результирующего напряжения U, Полагая Ug Uj, получим Uj U. Это означает, что для сохранения непрерывнооти изменения напряжения в рабочей цепи необходимо конденсатор или конденсаторы, подлежащие подключению к рабочей цепи, предварительно зарядить до напряжения, равного напряжению рабочей цепи в момент (целесообразно непосредственно перед моментом) подключения этих конденсаторов к рабочей цепи. Таким образом, задача сводится к компенсации разности напряжени между подключаемыми конденсаторами и ра бочей цепью- непосредственно перед подключением конденсаторов к рабочей цепи. Эту задачу - компенсацию разности указанных напряжений - выполняет блок компенсации. На чертеже показана схема предлагаемого устройства для моделирования переменно емкости, как часть вычислительной системы Устройство 1, моделирующее управляему переменную емкость, содержит блок 2 конденсаторов, блок 3 переключателей, блок уп равления 4 переключателями, блок компенсации 5. Точка 6 подключения устройства (узел) - сетки и общая шина 7 корпус (или земля) являются рабочими точками функционирующей цепи, к которым подключено устройство 1 для моделирования переменной емкости. Число каналов передачи информации 9 и 10 должно соответствовать числу устройств переменной емкости, (блоки питания, блоки начальных условий и т. п. на чертеже не показаны J. При среднем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствующий конденсатор блока 2 не задействован. При верхнем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствующий конденсатор блока 2 подключен к выходу блока компенсации 5. Вход блока компенсации 5 подключен к точкам подключения устройства. Узловое напряжение в точке 6 поступает в цифровой автомат 8 через блок компенсации 5 и по каналу 9 передачи аналоговой величины узлового напряжения от RC-сетки: к цифровому автомату. По аналогичным каналам в цифровой автомат передаются напряжения и от других узлов RC -сетки (на Чертеже не показаны). Команда на подключение отдельных конденсаторов из набора в положение рабочее, к блоку компенсации и не задействован поступают от цифрового автомата 8 по каналу 10 в блок управления переключателями. По таким же каналам передаются команды в остальные устройства переменной емкости, подключенные к другим узлам RC-сетки (на чертеже не показаны. Во время вычислений непрерывно изменяется напряжение U между рабочими точками, на рабочих конденсаторах и на выходе блока компенсации. Величина заряда на рабочей емкости изменяется пропорционально рабочему напряжению, поэтому ток из рабочей цепи через емкость пропорционален суммарной емкости рабочих конденсаторов, т. е. тех, которые в данный момент времени подключены к рабочей цепи. Такое же напр51жение Ug Uj должно вырабатываться на выходе блока компенсации, поэтому те из резервных конденсаторов, которые в данный момент подключены к этому блоку, также заряжены до напряжения U . Электрический ток через эти конденсаторы (при изменениях U. во времени) проходит только в выходной цепи блока компенсации. За короткое время переключения какого-либо конденсатора из положения к блоку компенсации в положение рабочее напряжения в рабочей цепи и на конденсаторе заметно измениться не успевает, чем и обеспечивается равенство напряжений в рабочей цепи и на подключаемом к ней конденсаторе, необходимое для предотвращения скачка напряжения в момент подключения. Отключение какого-либо конденсатора от рабочей цепи происходит, как указывалось , без скачков напряжения. После переключения конденсатора из положения не задействован в положение к блоку компенсации может происходить дополнительный заряд или разряд конденсатора до напряжения U, от выходной пепи блока компенсации. Команды на изменение положе ний переключателей 3 поступают от блока управления. Компенсация небаланса напряжений на рабочих и резервных конденсаторах может осуществляться в разных режимах. Проще всего осуществляется режим, когде все кон денсаторы все время подключены к блоку компенсации. Более сложен режим, когда, например, конденсаторы подключаются к блоку компенсации только на некоторый промежуток времени перед подачей команды на переключение рабочей емкости. При таком режиме один блок компенсации может быть использован последовательно при управлении несколькими емкостями. Согласно изложенному, блок компенсации должен поддерживать, по возможности более точно, равенство напряжений U в рабочей цепи и конденсаторах (конденсаторе), подлежащих подключению к рабочей цепи. Следовательно, электронный блок компенсации выполняет функцию следящей системы: на его вход поступает напряжение Uj, которое является также напряжением на рабочей емкости, а с выхода отводится напря- по возможности равное величи- Эпектрические характеристики блока ком пенсации должны удовлетворять ряду требований. Погрешность слежения, (т. е. отличие Ц. от Uj t должна быть малой, что зависит от совершенства электрической схемы блока. В простейшем случае это может быть повторитель напряжения. В более сложной схеме могут быть использованы,например, сравнения, узлы усиления и согласовани разностных сигналов, выходные узлы в виде управляемых источников напряжения. Входные цепи блока компенсации должны иметь высокое входное сопротивление, чтобы не создавать заметных токов утечки из рабочей цепи, поскольку увеличение токо утечки снижает точность работы вычислительной системы. Входное сопротивление блока компенсации должно быть намного больше эквивалентного сопротивления рабочей цепи между точками подключения блока компенсации. На точность работы вычислительной сис темы влияет также величина входной емкос ти блока компенсации. Обычно эта величина 5 6 на несколько порядков меньше, чем величина рабочей емкости, поэтому наличие входной емкости практически не ограничивает возможностей использования блока компенсации. Выходное сопротивление блока компенсации должно быть достаточно малым. Выходная цепь блока компенсации с подключенными к ней резервными конденсаторами характеризуется постоянной времени, пропорциональной выходному сопротивлению и емкости этих конденсаторов. При изменениях (в ходе вычислительного процесса) напряжения в рабочей цепи и на входе блока компенсации небаланс напряжений отрабатывается тем быстрее, чем меньше величина указанной постоянной времени. Следовательно, точность работы вычислительной системы тем выше, чем меньше выходное сопротивление блока компенсации. Постоянная времени выхода блока компенсации с подклк ченными к нему конденсаторами должна быть столь малой, чтобы на промежуток времени, численно равный величине этой посто5шной, напряжение рабочей цепи успевало измениться (в ходе вычислений) на возможно малую относительную величину. Кроме того, запаздывание при отработке процесса слежения во внутренних цепях блока компенсации также должно быть малым по сравнению с рассмотренной постоянной времени. Перечисленные требования к характеристикам блока компенсации непротиворечивы и технически осуществимы, поскольку не выходят за пределы требований, которым обычно удовлетворяют ламповые и полупроводниковые электронные устройства. Формула изобретения Устройство для моделирования переменной емкости, содержащее бпок конденсаторов, блок переключателей,первая группа контактов которого подключена к конденсаторам блока конденсаторов, вторая - к выводу подключения устройства, например, одному из узлов моделирующей RC-сетки, блок управления переключателями, выходы которого соединены с управляющими входами блока переключателей, отличающееся тем, что, с целью исключения амлитудной ошибки, вызываемой скачкообразным характером заряда емкости конденсаторов, устройство содержит блок компенсации напряжений, выполненный , например, в виде повторителя напряжения, вход которого подключен к выводу подключения устройства, а выходк третьей группе входов блока переключателей .

I

LI