Устройство для функционального преобразования Советский патент 1980 года по МПК G06F15/34 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть применено в устройствах сопряжения ЦВМ с реальными объектами управления, а так же в различных устройствах информационно-измерительной техники. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий решающее устройство, построенное по методу цифра за цифрой, два множительных цифроаналоговых преобразователя и интегрирующее устройство IJL . Недостатками такого преобразователя являются малые функциональные возможности (преобразуются только синускосинусные входные сигналы), недостаточная точность и быстрюдействие. Наиболее близким по техйической сущности является преобразователь, содержа- щий решающее устройство типа Cordlic, обеспечивающее выдачу сигналов, пропорциональных синусу и косинусу угла, два множительных ынфгюаналоговых преобразователя и схему сравнения напряжений одного знака 2 . Недостаток преобразователя - преобразование только входных аналоговых сигналов, пропорциональных синусу и косинусу преобразуемого угла, из-за чего функциональные возможности такого преобразователя небольшие. В случае преобразования напряжений с сельсин- датчиков, широко;применяемых прюмыш- пенности, необходима дополнительная трансформаторная схема Скотта, преобразующая сельсинные сигналы в синусный и косинусный вид. Трансформаторная схема Скотта не поддается микроминиатюризации, кроме того, такое предварительное аналого-цифровое преобразование сиг налов приводит к потере точности. В этом аналого-цифровом преобразователе используются четырехквадрантные цифроаналоговые преобразователи (входные напряжения подаются через инверторы, используется только одна схема сравнения напряжений), что усложняет преоб3. разоватедя, приводит к уменьшению быстродействия, так как для определени двух старших разрядов кода преобразуемого угла (номера квадранта, в котором находится преобразуемый -угол) необходимы две дополнительные итерации, и потере точности, так как четьфехквадра тный цифроаналоговый преобразоватсшь при работе в пределах двух квадрантов об печивает разрядность на единицу больше чем при работе в четырехквадрантном режиме (один разряд используется в качестве знакового). Применение в схеме преобразователя только одной схемы сравнения напряже- НИИ приводит к дополнительным аппаратным затратам - появленшо двух инверторов. Это приводит к потере точности и быстродействия. Цель изобретения - повышение точно ти и бьктродействия аналого-цифрового преобразователя. Цель достигается тем, что в устройс во для функционального преобразования, содержаи.ее решающий блок, первый и вт рой входы которого подключены ко входам устройства, два цифроаналоговых преобразователя, первые входы которых соединены с информационными входами устройства, группа выходов решающего блока подключена к информационному выходу устройства и ко вторым входам первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены соответственно С первым и вторым входами первой схемы сравнения, введены узел определения знака шага и вторая схема сравнения, причем первый и второй входы второй схемъ сравнения соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых прообрааователей, выходы схем сравнения подключены соотве1ственно к первому к второму входам узла определения йнака, первый и второй вглходы которого подклю чены соответственно . к третьим входам первого а второго цифроаналогов; jx аре-образователей, группа выходов решаюше го блока соединена с третьим входом уз ла определения знака, четвертый и пятый выходы которого подключены ко вхо дам устройства, узел определения знака соединен двухсторонними связями с ре- шакзщим блоком, а также тем, что решающий .блок содержит регистр результата, выход которого соединен с первыми входами регистров группы и подключен к группе выходов блока, первьлй, второй. 124 третий и четвертый выходы узла управления подключены соответственно с первь ми входами регистра результата, сумматора, регистра сдвига и узла памяти, выход которого соединен со вторыми входами регистра сдвига и регистров группы, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы узла управления соединены соответственно со входом счетчика, с первым входом регистра числа, с третьими входами регистров группы и с первьви входом .регистра слова, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выходы регистров группы соединены со вторыми -.ходами регистра слова и регистра чисга, вьссод которого соединен с первым входом- узла сдвига, выход которого подключен к третьему входу регистра сдвига и к третьему входу регистра слова, вььход регистра сдвига соединен с третьим входом сумматора, выход которого подключен к. второму входу регистра результата, выход счетчика соединен со вторым входом узла сдвига, первый, второй и третий входы узла управления соединены с первым входом блока, четвертые входы регистров группы подключены ко второму входу блока. На фиго 1 представлена блок-схема устройства; на фиг, 2 - блок-схема решаюшегх блока. Устройство содержит два множительных цифроаналоговых преобразователя ЦАП) 1, 2, схемы 3, 4 сравнения, узел 5 определения знака шага и решающий блок 6, содержаший регистр результата 7, сумматор 8, регистры слова 9, сдвига 1О и числа 11, узел 12 сдвига, группа регистров 13, узел 14 памяти, счетчик 15 и блок 16 управления. Устройство работает следующим образом. PaccMofpHM работу на примере преобразования сигналов с синус-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ) в код угла, код синуса и косинуса этого угла. При этом на аналоговый вход ЦЛП 1 поступает сигнал U с косинусной обмотки СКВТ, а на аналоговый анод ЦАП 2 - сигнал U с синусной обмотки CKBT.i Начало отсчета времени (начало . преобразования ) определяется после перехода полуволны опорного напр51жения через нуль по сигналу 7 информации о полуволне опорного напряжения как ую- мент перехода через нуль напряжений U;(,Ll2 , например,но изменению состояНИй вьосодных сигналов схем, сравнения 3 или 4, который и будет началом отсчета времени. Преобразование ведется в два этапа: сначала определяется квадрант, в котором находится преобразуемый угол, т.е. логически определяются два старших, раз- ряда кода угла и дальнейшее преобразова ние вдет в пределах одного квадранта. Для определения кода квадранта по входному управляющему сигналу на цифровой вход ПАП 1 поступает код услов ной единицы (11 ... 10), а на цифровой вход ЦАП 2 - код нуля и с помощью схе сравнения напряжений разного знака определяется полярность первого сигнала, а затем, меняя кодь1, - полярность второго сигнала. Узел 5 огфеделения знака шага корректирует (инвертирует на отри цательной полуволне) соответствующие подаваемым парам кодов выходные значения схемы сравнения напряжений в за висимости от входного сигнала полярнос ти (полуволны) опорного напряжения и выдает откорректированные значения на вкод блоков 6, где по управляющему сигналу происходит определение кода квадранта (двух старших разрядов кода преобразуемого угла). Определение кодов синуса, косинуса последующих разрядов кода преобразуем го угла производится в блоках 6 итерационным способом цифра за цифрой, где необходимое количество разрядов кодов определяет число итераций, напри в соответствии с формулами . - 5тМ- + К.. 11; CosVV C05,.2 sSnS., . где п число итераций; Ц); - цифровой код преобразуемого угла на i -ой итерации;1 - ог ератор, принимающий зн чения + 1 (знак шага tweрации), причем .,5in4-,.cos4-, в первом и третьем квад рантах;Г ,co..зтЧ.Д во втором и в четвертом квадрантах, а v arctg, где Lf - преобразуемый угол. Процесс определения кода преобразует люго угла, кодов синуса и косинуса этого угла сводится к решению ггераттонным путем уравнения cos Ч sin W-, - ein &in(4,-tfi -О n его решением будет М ЦНеобходимые значения оператора -поступают на блок 6 с выхода узла 5 и определяются на основе анапиза сигналов схем 3 и 4 сравнения, сигнала попярности (полуволны) опорного напряжения. сигнала переполненгш с выходных шкнданных блоков и кода квадранта с выхода блока 6. Для формирования выражений -, необходимо на соответствующие цифровые входы ПАП 1 и ЦАП 2 подавать с выхода блока 6 коды S(n4 и в 1-ом , и И1-ем квадрантах и коды , и sm, в 1-ом и 1У-ОМ квадрантах. Управление приемом кодов .; и соь подаваемых на ЦАП 1 и ЦАП 2, осуществляет Б зависимости от кода квадранта узел 5 определения знака шага на основаНИИ сигналов с выхода блока 6 о готовности этих кодов. Кроме тогх), так как в 1-ом и 111-ем квадрантах преобразуемые напряжения синфазнь , а во П-ом и g 1У-ом квадрантах противофазны, то при определении значений оператора в узле 5 определения знака шага предусмотрено переключение рабочих схем сравнения напряжений. Возникают , когда на -ом щаге цифровой код угла О для О М 42356 и % 90° для 85°364«Ч 9О°. При этом коды smY, для nepBoix) случая и cos -V-, для второго случая принимают значения меньше нуля. Так как используются двухква- дратн1.1е ЦАП, то выходной сигнал схемы сравнения напряжений, определяющий one- ратор в этот момент может быть ложным. Во избежание этого предусмотрена принудительная установка необходимого значения оператора Ё,. в зависимости от двух разрядов кода: знакового и переполнения, поступающих с выходных шин даннь1х блока 6 и схзпровожаающего их сигнала готовности кода угла с выхода блока 6. формирование кода преобразуемого угла с учетоь двух старших разрядов, полученных на первом этапе преобразования, осуществляет блок 6 по входному управляющему сигналу. В другом варианте работы ЦАП при преобразовании сигналов с сельсине на 77 аналоговый вход ЦАП 1 подается сель- синный сигнал, пропорциональный в«п(Ч+-ао°) - |sin4+ coeLf, а на аналоговый вход ЦАП 2 - сигнал, пропорциональный sm . Для-определений кода квадранта с РУ6 на цифровые входы иДП 1 и ЦАП 2 соответственно подаютс пары кодов: сначала код условной едини- цы (И ... 10) и 1/2 (01 ... 11), а затем код нуля и код условной единицы. Определение кода квадранта про звоilRTce аналогично преобразованию сигналов с СКВТ. Для определения последующих разрядов кода преобразуемого угла по командам с узла определения знака шага 5 на входы ЦАП i и ЦАП 2 подаю ся соответственно парь кодов: sinW-,; -1 sin Vj- co&ui в первом и третьем квадрантах, cos 4j А co5W-, Ч-. во втором и четвертом квадрантах. При этом преобразование сигналов с сельсина сводится к преобразованию сигч налов вида СКВТ. Например, для 1-го квадранта преобразование сводится к ре шению уравнения (-|stn -V COS4)()« (cos4B n4i-sioi coe,niV-0, ( и его решением будет f f. Однако в 1-ом и Ill-ем квадранте в : интервале 60° 9О° код-1/2 + V - cos Ч ., поступающий на цифроЕюй вход ЦАП 2, отрицателен и так как используются двухквадрантные ЦАП, работающие только с положительными то необходимо переключать ра5оч о муль сфганы при определении значения операт ра- . Эта функция возложена на узе 5 определения знака шага, иа .1тход кото рой с выходных шин данных РУ6 поступают два разряда кoдa-|sm V Jr-|cos Vi, а Ьдин из которых соответствует знаковому разряду, с сопровождающим их сиг налом готовности этого кода с выхода блока 6. Предлагаемый ЦАП 1ю зволяет проиэводить линейное преобразование постоянного или переменного напряжения в про)порцион, ему код. При этом на ана логовые входы ЦАП 1 и ЦАП 2 подают 28 ся сосугветственно преобразуемое и опорное напряжения. Преобразование ведется в два этапа: сначала определяется знак преобразуемого напряжения с помошью одной из схем сравнения, например, 3, Для этого с блока 6 на цифровой вход ЦАП 1 подается код условной единицы, например, 111 ... 1О, а на цифровой вход ЦАП 2 - код нуля. Узел 5 огфеделения знака шага корректирует выходное значение схемы 3 сравнения в зависимости от сигнала полуволны опорного напряжения, поступающего на вход устройства, и выдает его с выхода на блок 6. По управляющему входному сигналу в блоке. 6 происходит определение кода знака преобразуемого напряжения. На втором этапе по сигналу на цифровой вход ЦАП 2 ноступает код, пропорциональный преобразуемому напряжению на ой итерации с блока 6. Блок 6 определяет этот код в соответствии с формулой X, x.-k оHI Si-2 Где - цифровой код, соответствующий преобразуемому напряжению на i -ей итерации. Определение значений оператора ё, производится узлом 5 определения знака шага, причем fe.. .., где М - масштабный коэффициент. При определении значений оператора j узел 5 определения знака шага производит выбор рабочей схемы сравнр- йия напряйсений в зависимости от знаков опорного и преобразуемого напряжений. Предлагаемое устройство может также работать в режиме цифроаналогювого пре- , образования. Для этого предусмотрена подача кода угла с ЦВМ на вход блока 6, где происходит вычисление значений кодов синуса и косинуса этого угла с последующим преобразованием их в аналоговую форму с помощью ЦАП 1 и ЦАП 2 и дополнительных согласующих выходных усилителей мощности с коэффициентом усиления, например, +1, управляемым знаковым разрядом соответствующих кодов. Аналого-цифровой преобразователь содержит решающее устройство, построенное на основе алгоритма, приведен1юго выше, который сводится к элементарным сложениям и сдвигам. Операции элементарных сложений выполняются сумматором 8 параллельного действия, а элементарных сдвигов - узлом 12 сдвига, причем количество сдвигх в возрастает на один при переходе от итерапш и к итг рации и фиксируется счетчиком 15. F-e- гистр 7 результата служт для выдачи рюзультатов вычислений на внешние выходные шины данных , регистры 9, 10, 11, 13 - для хранения промежуточных результатов, узел 14 памяти служит для ранения начальных значений синуса и косинуса угла и констант угла, необходимых для каждой итерации, констант 1/2, О и условной единицы, необходимых при определении кода квадранта. Блок 16 управления производит определение кода квадранта на основании поступающих на его вход информации о знаке преобразуемых напряжений и входного управляющего сигнала, управление обменом информации на основании поступающего на его вход управляющего сигнала и знака шага итерации, выдает Сигналы готовности кодов, Введение узла определения знака шага, которое позволило организовать логическое определение двух старших раэрядов кода утла (квад1эанта), повышает быстродействие преобразователя в сравнении с определением этих разрядов ите рационным путем, кроме того, параллель ная организация работы повышает бьютро действие. Работа преобразователя на обо их полуволнах опорного напряжения позволяет увеличить количество каналов, и если при заданной частоте сети переменного напряжения быстродействие элементов недостаточно, то дает возможность прервать процесс преобразования и затем продолжить его на другой полуволне, т.е повышает производительность ЦАП. В предлагаемом устройстве применены двухквадрантные множительные цифро аналоговые преобразователи, рассчитанные на входное аналоговое напряжение двух полярностей и входной код одного знака. Такие цифроаналоговые преобразо ватели значительно проше четырехквад- рантных, кроме того, четырехквадрантный ци4 оаналоговый преобразователь при работе в пределах двух квадрантов обеспечивает разрядность на единицу больше, чем при работе, в четырехквад- рантном режиме (так как один разряд, используется в качестве знакового), следовательно, использование двухквадра тного цифрюаналогового преобразователя дает выигрыш в точности и позволяет получить на один разряд больше в выходных кодах ЦАП. Для расширения функциональных возможностей предлагаемого яналого-цифроБого преобрлзователн используемое решающее ттройство ггронзводит вЫ11аботку не только кодов ctmyca и косинуса, но и в других кодов, HavipjHMep, кодов--| пМ;.t cosV HlcoR lam 41;при сельсинном преобразовании, позволяющих производить преобразование сигналов, представляющих собой сложные функциональные зависимости. Введение дополнительной схемы сравнениянапряжений разного знака позволило нс-слючить два входных инвертора и расширить функциональные возможности при линейном пре образовании, так как при этом используется опорное напряжение одного знака, этой же цели служит возможность масштабирования при линейном преобразовании. Формула изобретения Устройство для функционального преобразования, содержашее решающий блок, первый и второй входы которого подк,люче- ны ко входам устройства, два цифроана- логовых преобразователя, первые входы которых соединены с информационными входами устройства, группа выходов решающего блока подключена к информац№онн ому выходу устройства и ко вторым входам первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы которых соединены.соответственно с первым и вторым входами первой схемы сравнения, отличаюшееся тем, что, с целью повьгшения точности и бьвстродей- ствия, в устройство введены узел определения знака шага и вторая схема сравнения, причем первый и второй входы второй схемы сравнения соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы схем сравнения подключены соответственно к первому и второму входам узла определения знака, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьим входам первого и второго ци({ьроаналоговых преобразователей, группа выходов решающего блока соединена с третьим входом узла определения знака, четвертый и пятый выходы которого гюд- илючены ко входам устройства, узел определения знака соединен двухсторонними связями с решающим блоком. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч rt ю Щ е е с я тем, что рмиаюший б:ок содержит регистр результата, выход ко-11 :.7 toporo сх единен с первыми входами региСтров группы и подключен к группе выходов блока, первый, второй, третий и четвертый выходы узла управления подключены соответственно с первыми входами регистра результата, сумматора регистра сдвига и узла памяти, выход которого соединен со вторыми входами регистра сдвига и регистров группы, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы узла управления соединены соответственно со- входом счетчика, с первым входом регистра числа, с третьими входами регистров группы и с первым входом регистра слова, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выходы регистров группы соединены со вторыми входами регистра слова и регистра числа выход которого соединен с первым вхо1212дом узла сдвига, выход которого подключен ко второму входу регистра сдвига и к третьему входу регистра слова, выход регистра сдвига соединен с третьим входом сумматора, выход которого подключен ко второму входу регистра результата, выход счетчика соединен со вторым входом узла сдвига, первый, второй и третий входы узла управления соединены с первым входом блока, четвертые входы регистров группы подключены ко второму входу блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3896299, кл. 340-347, 1974. 2.Патент США № 3868680, кп. 340-370, 1974. (прототип).

Фиг 7 Т7