Устройство для генерирования функций Советский патент 1976 года по МПК G06G7/26 

1

Предлагаемое устройство для генерирования функций относится к аналоговой вычислительной технике и может найти применение в системах автоматического управления и других областях, в частности для проведения объективной аудиометрии слухового или зрительного каналов и узлов коры головного мозга.

Известны устройства для генерирования функций, содержащие генераторы импульсов, ключевые элементы, источники напряжения, коммутаторы, коммутируемые резисторы, подключаемые к входу операционного усилителя 1,2.

Известные устройства характеризуются ограниченным классом воспроизводимых функций, сложностью конструкции, а также требуют больших временных затрат на перестройку моделируемой функции в СВязи с невозможностью применения автоматической настройки.

Из известных устройств для генерирования функций наиболее близким к изобретению по техническому решению является устройство, содержашее блок настройки, источник управляющего напряжения, выход которого через последовательно соединенные согласующий резистор и первый разделительный конденсатор связан с выходом источника напряжения возбуждения, и операционный усилитель, к входу которого подключены первые обкладки

выходных разделительных конденсаторов

3.

Известное устройство для генерирования функций позволяет моделировать ограниченный класс функций, а именно монотонные функции, так как его схема вырабатывает только одного знака приращение ординат.

Кроме того, в этом устройстве элементы задания аргумента и элементы приращения ординат выполнены на переменных резисторах, большое количество которых увеличивает габариты устройства, а также обеспечивает лишь механическую перестройку воспроизводимой функции с малой точностью. Обязательное наличие ключевых элементов в схеме существующего устройства усложняет его схему и повышает инструментальную погрешность.

Цель изобретения - расширение класса воспроизводимых функций.

Это достигается тем, что в устройство введены разделительные конденсаторы, разделительные резисторы, формирующие пьезотрансформаторы, компенсирующий пьезотрансформатор и пьезотрансформатор начальных условий. Вход последнего через второй разделительный конденсатор подсоединен к вьи источника напряжения возбуждениз-рому через третий разделите/и

тор подключен вход .компенсирующего льезотрансформатора. Входы формирующих пьезотрансформаторов соединены с общим выводом согласующего резистора и первого разделительного конденсатора, выходы ньезотрансформаторов - с вторыми обкладками соответствующих выходных разделительных конденсаторов непосредственно и с выходом блока настройки через соответствующие разделительные резисторы; экранирующие электроды всех пьезотрансформаторов соединены с шиной нулевого потенциала.

На чертеже представлена структурная схема устройства для генерирования функций.

Оно содержит п пьезотрансформаторов li- In, В которых пластина 2 является секцией возбуждения, а лластина 3 - генераторной секцией. Входные электроды 4 пьезотрансформаторов объединены и соединены через разделительный резистор 5 с выходом источника 6 управляющего «алряжения и, кроме того, через конденсатор 7 с выходом источника 8 напряжения возбуждения. К выходу источника 8 возбуждения подсоединены также входные электроды 4 компенсирующего ньезотрансформатора 9 и пьезотрансформатора 10 начальных условий через разделительные конденсаторы И. Экранирующие электроды 12 объединены и соединены с шиной нулевого потенциала, а выходные электроды 13 всех пьезотрансформаторов через разделительные резисторы 14 лодключены -к выходам блока 15 настройки и через разделительные конденсаторы 16 - к суммирующей точке 17 операционного усилителя 18. Клемма 19 является выходной клеммой устройства для генерирования функций. Блок 15 в случае ручной настройки представляет собой источник регулируемого разнополярного постоянного напряжения, к которому поочередно подключаются генераторные секции пьезотрансформаторов li-In, 9 и 10. Этот же блок ири автоматической настройке содержит формирователь 20 постоянного напряжения, нуль-орган 21, источники 22 эталонного разнополярного напряжения, устройство 23 управления, аналоговые ключи 24 и генератор 25 разнололярного пилообразного напряжения. При настройке функции выход устройства для генерирования функции (клемма 19) подсоединяется к входу формирователя 20 постоянного напряжения (на чертеже связь показана пунктирной линией).

Предлагаемое устройство позволяет воспроизводить функции ло методу кусочно-постоянной аппроксимации. При этом форма выходного сигнала устройства зависит от вида цепи обратной связи операционного усилителя 18. Включение в цепь обратной связи одного конденсатора дает возможность получить на выходе амллитудно-модулированные импульсы напряжения, частота следования которых определяется частотой импульсов источника -напряжения возбуждения. Если параллельно конденсатору цепи обратной связи усилителя

18 включить резистор больщого сопротивления, то, таким образом, можно преобразовать имлульсы Напряжения в постоянное напряжение. Уровни квантования по оси абсцисс задаются различными толщинами пьезотрансформаторов li-In или применением для пластин секций возбуждения сегистопьезоматериалов, отличающихся различными напряжениями поляризации. С ПОМОЩЬЮ коэффициентов передач по напряжению, величина которых определяется уровнем поляризации генераторных секций пьезотрансформаторов , задаются приращения по оси ординат.

Пьезотрансформатор 9 используется для компенсации выходных сигналов пьезотрансформаторов Ь-In и 1€, его Генераторная секция поляризуется В направлении, противоположном направлению генераторных секций трансформаторов h-In и 10.

Устройство для генерирования функций имеет два режима работы: режим настройки нелинейной зависимости По методу кусочнопостоянной аппроксимации и режим генерирования функции.

Настройка преобразователя начинается с установки пьезотрансформаторов h-In, 9 и 10 в исходное положение. Такому состоянию соответствует установление насыщенной поляризации в секциях возбуждения пьезотрансформаторов Ь-In в направлении, указанном на чертеже сплошными стрелками, а также нулевая поляризованность генераторных секций пьезотраноформаторов li-In, 9 и 10. Получить необходимую поляризацию секций возбуждения пьезотрансформаторов li-U можно подключением к входным электродам 4 выходного напряжения источника 6 управляющего напряжения через разделительный резистор 5. Для создания нулевой поляризованности генераторных секций всех льезотрансформаторов к их выходным электродам 13 подают через разделительные резисторы 14 выходные напряжения -блока 15 настройки таких величин и знака, которые обеспечивают насыщенную поляризацию секций в направлении, отмеченном на чертеже пунктирными стрелками. Затем к входным электродам 4 пьезотрансформаторов li-In, 9 и 10 прикладываются одновременно сигналы возбуждения, поступающие с выхода источника 8 через разделительные конденсаторы 7 и 11. Выходной сигнал на клемме 19 отсутствует благодаря взаимной компенсации выходных сигналов пьезотрансформаторов устройства для генерирования функций В суммирующей точке 17. Далее, начиная с пьезотрансформатора 1, имеющего самое малое напряжение переключения, к выходному электроду 13 от блока 15 настройки подают напряжение противоположного знака тому, которое обеспечило поляризацию, указанную на чертеже пунктирной стрелкой до тех лор, пока коэффициент передачи KTI этого пьезотрансформатора не станет раВНым 0. Об этом свидетельствует выходной сигнал прео бразователя, знак которого противоположен

знаку выходного сигнала пьезотрансформатора 1ь так как он обусловлен -недокомленсированным выходным сигналом пьезотра«сформатора 9. Путем подключения к выходному электроду 13 пьезотрансформатора 9 выходного напряжения блока 15 настройки соответствующего знака и величины снова устанавливают нулевой выходной сигнал устройства. В момент равенства нулю коэффициента Ст1 напряжение, приложенное к выходному электроду 13 пьезотрансформатора , отключается. На этом заканчивается установка нулевой поляризованности первого пьезотрансформатора 1. Аналогичным образом осуществляется нулевая поляризованность генераторных секций пьезотпансформаторов Ь-In И 9. В конечиом итоге коэффициенты передач сегнетоэлектрических пьезотрансформаторов 1, 9 и 10 оказываются равными нулю и в соответствии с этим выходной сигнал на выходе отсутствует. Устройство готово для выполнения электрической настройки. Во время настройки сигнал возбуждения блока 8 приложен к входным электродам 4 пьезотрансформаторов 1, 9 и 10. В качестве элементов приращения ордииат используются пьезотрансформаторы 1, коэффициенты передачи /Ст которых определяются степенью поляризованности генераторных секций.

Независимо от вида начальных условий первое приращение ординаты производится с помощью пьезотрансформатора 1 с малым напряжением переполяризации. Для этого к выходному электроду 13 пьезотрансформатора подключается напряжение блока 15 настройки через разделительный резистор 14 до получения выходного сигнала, равного:

Ш, ,„,

где Af/i - половина напряжения .первого приращения ординаты;

A/CI - изменение коэффициента передачи пьезотсаНСформатора Ii от ±Кт, до Кт, (Ят, - коэффициент передачи пьезотрансформатора с самым малым напряжением переполяризации и„, устанавливаемый для воспроизведения приращения ординаты моделируемой функции) при поляризации его секции возбуждения во время воспроизведения функциональной зависимости; К{ь - коэффициент передачи операционного усилителя 1-8 совместно с разделительньм конденсатором 16; С/т - амплитудное значение напряжения сигнала возбуждения на входе пьезотрансформаторов.

В момент равенства напряжения приращения ординаты Af/1 на выходе преобразователя величине, равной половине первого приращения ординаты, напряжение блока настройки отключаются от выхода первого пьезотрансформатора. Знак напряжения приращения Af/i должен быть противоположным истинному моделируемой функции и задается соответствующей полярностью напряжения блока настройки. Аналогичным образом воспроизводится второе приращение ординаты с помощью пьезотрансформатора, напряжение переключения которого по своему значению находится на втором месте. Выходной сигнал в данном случае уже определяется суммой

двух приращений напряжений

± At/, ± Ш, ± ,„ ±

± ,„ : (± ААГ, ± А/С.),

где А/Са - изменение коэффициента передачи пьезотрансформатора Ь при переполяризации секции возбуждения Очевидно выходное напряжение преобразователя при воспроизведении п-го приращения ординаты ступенчато-аппроксимированной нелинейной зависимости равно

г; Кф-и„1

25 - -внх- ::

После настройки последнего приращения ординаты, если выходной сигнал АС/выт не равен нулю, его компенсируют, поляризуя генераторную секции пьезотрансформатора 9 до необходимой величины и направления напряжением, поступающим с блока настройки. На этом заканчивается настройка преобразователя при нулевых начальных условиях. В противном случае, дополнительно к изложенному устанавливают на выходе напряжение начальных условий. Для этого к выходному электроду 13 генераторной секции пьезотрансформатора 10 подключают выходное напряжение блока настройки соответствующей величины и знака и поляризуют секцию до получения необходимого коэффициента передачи указанного пьезотрансформатора. Напряжение начальных условий С/ну равно

Uny /Стщ Аф с/,,,,

где /Ст„ -коэффициент передачи пьезотрансформатора 10, обеспечивающий необходимое напряжение f/iry на выходе.

Знак напряжения f/,ry, в отличие от знаков приращений ординат, должен совпадать со знаком напряжения начальных условий аппроксимированной функции.

Настройка преобразователя на этом заканчивается. Режим моделирования функции начинается с момента приложения к входным электродам 4 пьезотрансформаторов li-In, 9, 10 сигналов возбуждения от источника 8

сигналов возбуждения и линейно изменяющегося напряжения управления от источника б управляющего напряжения через разделительный резистор 5 к электродам 4 пьезотрансформаторов. Знак линейно изменяющегося напряжения должен обеспечить переполяризацию секций возбуждения пьезотрансформаторов. При этом Сначала переполяризуется секция возбуждения пьезотраноформатора 1, имеющего самое малое напряжение поляризации Uni- Переполяризация имеет Скачкообразный характер (аналогичный включению источника, воспроизводящего приращение ординаты функции) и .приводит к разбалансировке динамического рнвновесия выходного сигнала, созданного цри электрической настройке преобразователя с помощью пьезотрансформаторов 9. Выходное напряжение пьезотрансформатора 1 через разделительный конденсатор 16 поступает на операционный усилитель 18, где алгебраически складывается С напряжением начальных условий, и результат суммы появляется на выходе устройства. Ввиду изменения направления поляризации секции возбуждения на противоположное, знак выходного сигнала Напряжения приращения ординаты оказывается также противоположным тому, который был .при настройке. В данном случае знак напряжения приращения ординаты и его величина совпадают с действительным приращением ступенчато-аппроксимированной функции. Дальнейщее увеличение управляющего входного напряжения приводит к последовательной переполяризации секций возбуждения других льезотрансформаторов 1, напряжения переполяризации которых удовлетворяют соотношению Иа.ит12 ... Этот процесс наблюдается до тех пор, пока входное управляющее напряжение не станет достаточным для переполяризации секции возбуждения пьезотрансформатора U с Наибольшим напряжением переключения f/n Напряжение на выходе в любой момент представляет собой алгебраическую сумму напряжений приращений ординат и напряжения начальных условий. Моделирование функции на этом прекращается. Для поВторного воспроизведения функции необходимо Секции возбуждения пьезотрансформаторов 1 переполяризовать в исходное состояние, путем приложения к входным электродам пьезотрансформатора 1 напряжения соответствующей полярности от источника 6 управляющего напряжения.

Использование формирующих пьезотрансформаторов, компенсирующего пьезотраисформатора и пьезотрансформатора начальных условий, а также разделительных резисторов и конденсаторов выгодно отличает предлагаемое устройство для генерирования функций от указанного прототипа, так как благодаря формированию С помощью одних и тех же пьезотрансформаторов положительных и отрицательных приращений ординат путем соответствующей поляризации генераторной секции пьезотрансформаторов по отношению к секции возбуждения в нем значительно расширяется класс воспроизводимых функций. При этом в отличие от известного устройства стало возможным воспроизведение немонтажных и разнополярНых функций, а также функций, содержащих несколько экстремумов.

Вследствие интегрального исполнеция пьезотрансформаторов уменьшились габариты предлагаемого устройства, а электрическая перестройка функциональной зависимости позволяет с одной стороны внедрить автоматическую программную настройку устройства для генерирования функции, а с другой стороны повысить точность настройки. Кроме того, отсутствие ключевых элементов упрощает схему и уменьшает инструментальную погрешность.

Формула изобретения

Устройство для генерирования функций, содержащее блок настройки, источник управляющего напряжения, выход которого через последовательно соединенные согласующий резистор и первый разделительный конденсатор соединен с выходом источника напряжения возбуждения, и операционный усилитель, к входу которого подключены первые обкладки выходных разделительных конденсаторов, отличающееся тем, что, с целью расщирения класса воспроизводимых функций, оно содержит разделительные конденсаторы, разделительные резисторы, формирующие пьезотрансформаторы, компенсирующий пьезотрапсформатор и пьезотрансформатор начальных условий, вход которого через второй разделительный конденсатор подключен к выходу источника -напряжения возбуждения, к которому через третий разделительный конденсатор подключен вход компенсирующего пьезотрансформатора, входы формирующих пьезотрансформаторов соединены с общим выводом согласующего резистора и первого разделительного конденсатора, выходы пьезотрансформаторов соединены с вторыми обкладками соответствующих выходных разделительных конденсаторов непосредственно и С выходом -блока настройки через соответствующие разделительные резисторы, экранирующие электроды всех пьезотрансформаторов соединены с щиной нулевого потенциала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Патент Японии № 21269, кл. 114А 522, 1963.

2.Авт. св. № 374621, кл. G 06G 7/26, I97I.

3.Смолов В. Б. Аналоговые вычислительные мащины. Изд. «Высшая школа, М., 1972, с. 257-258 (прототип).