Функциональный преобразователь Советский патент 1979 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к области аналоговой и аналого-вычислительной техники. Известен функциональный преобразователь, содержащий блоки аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, дешифратор, логит ческий блок, операционные усилители, блок выбора максимума, потенциометры, суммирующий операционный усилитель. Его недостатком является значительный объем оборудования 1, Наиболее близким техническим решением является функциональный преобразователь, содер жащий инвертор, вход которого является входом функционального преобразоватзля, операционный усилитель, выход которого является вь ходом функционального преобразователя, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого соединен со входом инвертора, дешифратор, входы которого подключены к выходам ,блока аналого-цифрового преобразования, п клю чей, выходы которых подключены ко входу опе рационного усилителя, а управляющие вхОДы - к соответствующим выходам дешифратора 2J. Недостатками такого устройства являются сложность схемы и сложность настройки на воспроизведетше заданной непрфывной функции. Целью изобретения является упрощение структуры и процедуры настройки на востфоизведение заданной функции. Для достижения: поставленной цели предложенньп функциональный преобразователь содержит п аппроксимирующих элементов, каждый из которых, кроме первого, реализован на четьн рех потенциометрах и четырех масштабных резисторах, которые соединены в звезду, подключенную входами к подвижным контактам потенциометров,а узлом к информационному входу соответствующего ключа, первый и второй поте щиометры включены между входом и выходом инвертора, а третий и четвертый потенциометры между шинами положительного и отрицательного опорных напряжений, первый аппроксимирующий элемент выполнен на трех потенциометрах и трех масштабных резисторах, которые соединены в звезду, подключенную входами к подвижным контактам тютенциометров, а узлом к информационному входу первого ключа, первый и второй потенциометры первого аппроксимирующего

элемента включены между входом и выходом инвертора, а третий потенциометр - между тинами положительного и Отрицательного напряжений, подвижные контакты второго и четвертого потенциометров каждого предыдущего по номеру аппроксимирующего элемента, кроме первого, соединены механически с подвижными .контактами первого и третьего потенциометров следующего по номеру аппроксимирующего элемента, подвижный контакт второго потенциометра первого аппроксимирующего элемента соединен механической связью с подвижными контактами первого и третьего потенциометров второго аппроксимирующего элемента, подвижные контакты первого и третьего потенцио1у1етров первого аппроксимирующего элемента соединены механически, подвижные контакты третьего и четвертого потенциометров п-го аппроксимирующего элемента соединены меха1шчески.

На фиг, 1 приведена блок-схема функционального преобразователя. На фиг. 2 представлен график его работы.

Функциональный преобразователь содержит инвертор 1, блок 2 аналого-цифрового преобразования, децшфратор 3, п ключей 4, -4, операцион1гый усилитель 5, п аттроксимирующих элементов 6,-6,, в состав каждого из которых кроме первого, входят первый 7, второй 8, третий 9, четвертый 10 потенциометры и масщтабные резисторы 11-14.

Функциональный преобразователь работает слег ующим образом,

Потешщометры в аппроксимирующих элементах 6)-6f, включены таким образом, что при Перемещении подвижного контакта потенциометра одного из аппроксимирующих элементов в одном направлении (например, в сторону щины X) механически связаиньй с ним подвижный контакт потенциометра зтого же элемента перемещается в ту же сторону (в сторону щины положителького опорного напряжения), а связанные с ним подвижные контакты поте1щиометров соседаего аппроксимирующего элемента перемещаются в противоположную сторону (в CTOpoiry щины X и шины отрицательного опорного напряже1а1я),

Пусть требуется преобразовать входное напряжение X устройства в выходное нaпpяжe шe у согласно непрерьтной нелинейной функционалной эависимостп у f (х), 0 х х, 0 у у (фиг,2), Допустим, что «пгсло k двоичных выход ных разрядов блока 2 аналого-цифрового преобразования равно двум. Разобьем отрезок (0,x, на котором определена фушсция, на 0 2 промежутков (на фиг, 2 п 2 4, дня ясности изложения промежутки приняты равными). Обозначим длину промежутка, равную , через h.

Проведем кусочно-линейную аппроксимацию функции f(x), располагая узлы аппроксимации в точках X i h; j 0,1, ,,., n.

Аппроксимирующую функцию обозначим через ((х); Ц (ih) ; .,

Элементом регулировки в предлагаемом функциональном преобразователе является пакет механически связанных между собой подвижных контактов потенциометров аппроксимирующих элементов 6i-6f,.

Число элементов регулировки равно п + 1, т.е. числу узлов аппроксимации, Каждаш i-й элемент регулировки смещается при настройке схемы на величину ft , пропорциональную величине yj (направление смещения огфеделяется знаком V} ,

При ( i-1)h X ih (на i-м участке аппроксимации) схема обеспечивает реализацию линейной интерполяции между значениями y;.i и у; , т.е,

У - y;.j

x-(i-f).h. (i)

у(х).у..Рассмотрим принцип реализации схемой формулы (1),

Отметим, что изменение величины извлечет за собой изменение крутизны одного (при , i п) или двух (во всех остальных случаях) участков аппроксимации. Если при этом изменяется крутизна двух участков, знаки ее приращений всегда различны.

Таким образом, каждый элемент регулировки должен изменять крутизну двух соседних участков аппроксимации (кроме первого и последнего элементов), С другой стороны, крутизна 1-го участка аппроксимации определяется двумя величинами: у{. и у; , Следовательно, установка крутизны каждого участка-должна осущесвляться с помощью двух элементов регулировки. При этом увеличение у; приводит к уменьщению крутизны )-го участка, а увеличение у- к ее увеличению.

Формула (1) линейной интерполяции на i-м участке может быть записана в виде:

v,.

(2)

yw yi-,i-yf(i-)-yHh

где первое и второе слагаемое пропорциональны только величинам у;.| и у) соответственно, а третье и четвертое - произведениям yj.j и X У , причем коэффициенты пропорциональнос, ти только первых двух слагаемых зависят от номера участка аппроксимации.

В предлагаемом устройстве i-й участок агь проксимации (кроме первого) воспроизводится как сумма 4-х слагаемых, моделирующих слагаемые формулы (2), Для воспроизведения первого участка оказьтается достаточным трех слагаемых. Слагаемое, пропорциональное только величине у| , здесь отсутствует; из (2) видно, что его коэффициент пропорциональности при i 1 равен нулю.

Переключение аппроксимируюищх элементов 6, -6„ при изменении входного напряжения осуществляется блоком 2 аналого-цифрового преобразования, который изменяет свою выходную кодовую комбинацию в моменты, когда напряжение х достигает уровней ih ( i 1, 2, ..., ). В исходном состоянии (при X 0) на выходе блока 2 присутствует нулевая кодовая комбинация, при этом возбуждена соответствующая шина дешифратора 3, соединенная с управляющи входом ключа 4i, Таким образом, в исходном СОСТОЯНИЙ схемы открыт только ключ 4,. При дюбом значении напряжения х возбуждена только одна выходная щина дешифратора 3 и, следовательно, всегда открыт только один из ключей 41-4„ . Шину дешифратора, возбужденную при ( i 1)h X ih, т„е. на i-м участке аппроксимации, будем называть i-й шиной, а соответствующий ей ключ - i-M ключом. Через ключ 4 и масштабные резисторы 1 i - I4j ко входу операционного усилителя 5 подключаются годвижные контакты потенциометров 71 10 i , i-ro аппроксимирующего элемента 6 Подвижные контакты потенциометров } и 9; принадлежат ( 1-1)-му элементу регули.ровки и-смещены на величину, пропорциональную У;-1 . а подвижные контакты потенциометров 8j и lOj принадлежат i-му элементу регулировки и смещены на , пропорциональную у| , Следовательно, на выходе операционного усилителя 5 будет напряжение

.,,(- -SiXy,- з;

Знак и величина коэффициентов а if (j 1-4) определяются сопротивлениями масштабных резисторов Hi -14f , коэффициентом передачи операционного усилителя 5 и направлением смешения подвижных контактов потенциометров 7i -lOj .

Формула (3) с точностью до коэффициентов совпадает с формулой (2) линейной интерполяции. Должным выбором масщтабных резисторов при описанном выше включении потенциометров и механическом объединении их подвижных кон тактов можно обеспечить пропорциональность соответствующих коэффшщентов формул (2) и (3), т.е. воспроизводить функцию в том или ином маскцтабе.

Настройка функционального преобразователя производится следующим образом. Вначале все движки элементов регулировки установлены в среднее положение. В этоМ случае при любом значении х на информационные входы ключей 4i-4n подается нулевое напряжение и функхдаональньш преобразователь настроен на воспроизведение функции у 0. Далее с помощью нулевого элемента регулировки (потенциометры 7i, 91)устанавливается значение уо. Параметры схемы выбраны так, что гфи входном напряжении X, близком к величине h (но при котором на ВЕ 1Ходе блока 2 еще сохраняется нулевая кодоШ1Я комбинация), на информационный вход клюи 4,, и следовательно и на выход устройства, подается практически равное нулю напряжение. При этом устройством воспроизводится линейньда участок (показан на фиг.2 штрих-пунктиром), начинающийся в точке (О, Уо) и акаичивающийся в точке ( h, 0).

Далее, подав на вход устройства напряжение X h, при котором код на выходе бяока 2 соответствует кодовой комбинаоди, открьгоающей ключ 4, с помощью первого элемента регулировки (потеншгометры HI, 7 к 92) устанавливают значе1ше У|. После такой настройки устройство воспроизводит линейный участок, начинающ 1Йся в точке (О, Уо) и оканчивающийся в точке (h,yi) (на фиг.2 показан пунктиром) и литейныйушсток,начинающийся в точке (х,У)) и оканчивающийся в точке (2h,0) (на фиг. 2 показан штрих-пунктиром). В воспроизведении первого участка участвуют первый и второй аппроксимирующие элементы 6j и 62, а его Kpjn-йзна задается г отенциометром 81.

Аналогичным образом устанавливаются узловые точки следующих участков апцроксимаоди. Поскольку все исходные значенияУ{ О, установка велишны у. в любом следующем узле аппроксимации обеспечивает требуемую крутизну на i-м участке апфоксимаций и такую крутизну на (1 + )-м участке, что величина у. , О,

Последний п-й элемент регулировки (установка величины у„ ) содержит только два потенциометра , 10, так как он обеспечивает требующееся начальное значение и крутизну только одного п-го участка аппроксимации. По той же причине только два потенциометра 7i и 9 содержит и нулевой элемент регулировки..

Первый элемент регулировки (установка величины У) со держит три потенциометра 81, 72, 92, так как он участвует в регулировке трех величин: крутизны первого и второго участков и начального значения второго участка (при х h).

. Каждый из остальных элементов регулировки величины участвует в регулировке четырех величин - крутизны и начального значения (i-1)го участка, крутизны и начального значения (i-ro) участка и поэтому содержит четыре потенциометра Bj , lOj , 9in .

Если требуется перестроить схему на воспро изведеШ е другой функции, отличающейся от исходной только в одном -м узле аппроксима1ШИ, достаточно с помощью соответствующего элемента регулировки установить новое значение у. . Смещеяие подвижных контактов потенциометров обеспетат автоматическое язмеНегае крутизны (i-1)-ro и i-ro участков, так что воепроизводимая функция останется непрерывной с прйктт й значеийямиy-T.j , с новым значением vj , При этом пйГел, управления схемой может быть вытюлне на в виде Системы декартовых координат, на которой TtTocir fuM®| ймшЙШ даШжкй элёMe1it6B pWyjiHpoBkH, смещаемьш по оси ординат, преградуированной в единицах yV Упругая нйть которой MOMiff сдёданит) Х1 1йжки, нагляд ЙЙ itpeftctaBHT реализуемую схемой кусочно-линейную аппроксимацию функции. Предложенное устройство, обНЩжйЙсравнении с известными более простой структурой и пртцедурой ее перестройки На воспрбизведёние другой функции, позволяет существенн6 с6кратйтб затраты времени при работе с аппаратурой содержащей функциональные преобразбёатели, улучйтть ее технико-зкономйческие и эксплуатационные показатели. Формула изобретения. ЯГ ЧгЛа.;.--: --Функциональный преобразователь, содержаший инвертор, вход которого является входом функционального преобразователя, операционны ycMHteib, выход которого является выходом функционального преобразователя, блок аналого цифрового преобрЗзойгйия, вход которого соеди нён со входом инвертора, дешифратор, входы к торого подключены к выходам блока аналогоцифрового преобразования, п ключей, в ьБГ6дь1 которых подключены ко В1х6ду оп(грацйо1шого , а управляющие входы - к соответствующим выходам дешифратора, отличающий ся тем, что, с ЦеЛью упрощения структуры и Процедуры настройки на воспроизведение заданной фуЖВДйГдЙ СОДёрШст п аппроксимируюиот элементов, каждый из ко орых кроме первого, выполнен на четырех потенциометрах и четырех масштабиых реэисторах, которые соединены в звезду, 1ЮЦклн)1|е1{11ук) входами к подвижным контактам Потенциометров, а узлом к ин({ ормационному входу соответствующего ключа, первый и второй потенциометры включены между входом ивыкодом инвертора, а третий и четвертый потёЖйШмёТрЬ -- между тинами положитёльногЬ йитрицательното опорных напряжений, первый аппроксимирующий элемент выполнен на трех потенциометрах и трех масштабных резисторах, которые соединены в зв:езду, подключенную входаШ к подвижным контактам потенциометров, а узлом к информационному входу первогоКлюча, первый и второй потенциометры первого аппрбКШмйруюШёгО элемента включены между входом и выходом инвертора, а третий потенциометр -- между Цшнами положительного и отрицательного напряжений, подвижные контакты второго и четвертого потенциометров каждого пр едыдущего по номеру аппроксимирующего элемента, кроме первого, соединены механичесКй с ПОДВИЖНЫМИ контактами первого и третьего потенциометров следующего по номеру аппроксимируюЩёго элемента, подвижный контакт. второгОп61еЩй5йёТра первого аппроксимирующего элемента механически соединен с подвижными контактами первого и третьего потенциометров второго аппроксимирующего элемента, подвижные КбНтаКть первого и третьего потешлиометjDOB первбкГаппроксимирующего элемента соединены механически, подвижные контакты третьего ичетвертого потенциометров п-го аппроксимирующего эНёмеНта соединены Механически. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Гинсбург с. А. и др. Функциональные преобразователи с аналого-цифровым представлением информации, М., Энергия, 1973, с. 44.2.Авторское свидетельство СССР № 525125, кл. G 06 G 7/26, 1976,