Функциональный преобразователь с кусочно-нелинейной аппроксимацией Советский патент 1980 года по МПК G06G7/26 

(54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ nPEOEPA30BATEJb С КУСОЧНОИзобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в аналоговых, цифроаналоговых и цифровых машинах, в системах автоматики, а также в устройствах, где необходимо воспроизведение сложных функциональных зависимостей как непрерывных, так и имеющих точки разрыва первого и второго рода. Известны функциональные преобразователи с кусочно-нелинейной аппроксимацией. Одно из известных устройств содержит делитель, соединенный с ключами, выходы которого подключены ко входам суммирующего усилителя, в обратной связи которого включен функциональный блок, причем преобразователь дополнительно содержит делитель, выходы ко-, торого соединены со входом суммирующего усилителя и входом основного усилителя, коммутируемого ключами 1. Другой известный функциональный преобра зователь с кусочно-нелинейной аппроксимацией содержит операционный усилитель постоянного тока с диодно-резисторными элементами во входной цепи в цепи обратной связи 2. НЕЛИНЕЙНОЙ АППРОКСИМАЦИЕЙ в зтих устройствах необходимо применять точные в широком динамическом диапазоне нелинейные преобразователи.. При одинаковых требованиях к погрешностям это значительно усложняет схему, настройку и эксплуатацию подобнь х функциональных преобразователей. Наиболее близким техническим решением к изобретению является функциональный преобразователь с кусочно-нелинейной аппроксимацией, содержащий первый анализатор сигналов, соединённый с входом преобразователя, второй анализатор сигналов, ключи, запоминающие блоки и квадратор 3. Среди недостатков известного преобразователя следует отметить значительную методическую погрешность, обусловленную низкой степенью аппроксимирующего многочлена, а также необходимость применения нелинейного элемента с широким динамическим диапазоном входного сигнала, уменьшение методической погрещности в известном преобразователе с увеличением числа yMacTkoB аппроксимации, приводящим к заметному усложнению схемы.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона входного сигнала и повышение точности работы преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в функциональный преобразователь с кусочнонелинейной аппроксимацией введены масштабные блоки, кубический преобразователь, блок управления и сумматоры, первый из которых соединен одаим входом с входом преобразог вателя, другим входом - с первым выходом первого анализатора сигналов, а выходом связан через первый масштабнь1Й блок с первым входом второго сумматора, входы которого с второго по шестой связаны с выходами соответствующих второго, третьего, четвертого, пятого и шестого масштабных блоков. Седьмой вход второго сумматора соединен с вторы выходом первого анализатора сигналов, подключенного третьим выходом к управляющим входам nepBbfo, второго, третьего четвертого, пятого и шестого масштабных блоков, которые кроме первого масштабного блока, другими входами связаны с выходами соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого запоминающих блоков. Выход первого сумма,тора соединен с сигнальными входами первого и второго ключей, вь1ход первого ключа через квадратор - с сигнальным входом третьего ключа, первый выход которого связан с первым входом первого запоминающего блока. Выход второго ключа через кубический преобразователь связан с сигнальным входом четвертого ключа, первый выход которого соединен со входом второго запоминающего блока. Вторые входы первого и второго ключей соединены с первым входом седьмого масштабного блока и с выходом третьего сумматора, первый вход которого подключен к второму выходу первого запоминающего блока и йходу второго анализатора сйгналов, свяЗ ННдго первым выходом с вторым входом третьего сумматора. Второй выход третьего ключа соединен с первым Входом восьмого масштабного блока и первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к второму выходу второго анализатора сигналов, соединенного третьим выходом с первым входом пятого сумматора. Второй выход четвертого ключа связан с первым входом девятого масштабного блока и с первЫм входом шестого сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом второго анализатора сигналов связанного пятым выходом с вторыми входами седьмого, восьмого и девятого масштабных блоков. Выход девятого масштабного блока подключен к второму входу пятого сумматора, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первыми выходами седьмого и восьмого масштабных блоков.

подключенных вторыми выходами соответственно к третьему и четвертому входам шестого сумматора. Третий выход седьмого масштабного блока соединен с третьим выходом четвертого сумматора, подключенного выходом к входу третьего запоминающего блока, выход пятого сумматора подключен к входу четвертого запоминающего блока, выход шестого сумматора - к входу пятого запоминающего блока, выход блока управления - к управляющим входам ключей, а выход второго сумматора - к выходу преобразователя.

На чертеже представлена прииципиальная электрическая схема функционального преобразователя, вьшолненная согласно данному изобретению.°

Схема содержит первый анализатор 1 сигналов, соединенный со входом 2 преобразователя первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 масштабны блоки, первый 9 и второй 10 сумматоры, первый 11 и второй, 12 ключи, квадратор 13, третий сумйатор 14, седьмой масштабный блок 15, третий ключ 16, первый запоминающий блок 17, вторюй анализатор 18 сигналов, четвертый сумматор 19, восьмой масштабный блок 20, второй запоминающий блок 21, девятьш масштабный блок 22, пятый 23 и шестой 24 сумм;аторы, третий запоминающий блок 25, кубический преобразователь 26, четвертый ключ 27, четвертый 28 и пятый 29 запоминающие блок и блок 30 управления.

Преобразователь работает следующим образом.

Входной сигнал входа 2 преобразователя подается на вход первого сумматора 9, работающего в режиме вычитания, и на вход первого анализатора 1 сигналов, который формирует опорный сигнал сигнал пропорциональный значению реализуемой функции в точке Xgx -f; а также сигналы для Здтравления масштабными блоками 3, 4, 5, 6, 7, 8 ... Сигнал K-jX. поступает на вход второго сумматора 10. Сигнал Х подается на вход первого сумматора 9, где вычитается из входного. На выходе первого сумматора 9 появляется сигнал Х К ( Ч коэффициент передачи первого сумматора 9. Сигнал Xj подается на первый 11 и второй 12 ключи, а так же через первый масштабный блок 3 полинома первой степени на вход второго сумматора 10. На выходе первого масиггабного блока 3 действует сигнал Хе,ь1)( (Хьх ) ™ 1 коэффициент передачи первого масштабного блока 3, соответствующий опорной точке Х-( -В дальнейшем значение реализуемой функции вычисляется за два такта. 5 Первый такт. Первый ключ 11 сое. выход первого сумматора 9 с входом квадра тора 13, выход которого через третий ключ 16 подключается к первому запоминающему блоку 17. Второй ключ 12 соединяет выход первого сумматора 9 с входом кубического преобразователя 26, выход которого через чет вертый ключ 27 подключается к второму запоминающему блоку 21. На выходе квадратора 13 и кубического преобразователя 26 формируются сигналы: Sm,,,J ) Л (х ч . где 1(,, и . - коэффициенты передачи квадратора 13 и кубического преобразователя 26 соответственно. На выходах второго 4 и третьего 5 масштабных блоков будут сформи ровань сигналы bb K 4i -lV 9 f ЬЫУ. .1c. Ub,.-40 где Ч. и Kg - коэффициенты передачи второго 4 и третьего 5 масштабных блоков, соответствующие опорной точке X . Второй такт. Первый ключ 11 соединяет вход квадратора 13 с выходом третьего сумм тора 14. Выход квадратора 13 через третий ключ 16 подключается к входам четвертого сумматора 19 и восьмого масштабного блока 20. Второй ключ 12 соединяет выход суммато ра 14 с входом кубического преобразователя 26, выход которого через четвертьш ключ 27 подключает к входам шестого сумматора 24 и девятого масштабного блока 22. С выхода первого запоминающего блока 17 сигнал БЫХхт ЬЫх,, подается на вход третьего сумматора 14 и на вход второго анализатора 18.сигнала, который формирует второй опорный сигнал Х/, сигналы, поступающие на вхо ды четвертого 19, пятого 23, шестого 24 сумматоров, а также сигналы для управления седь мым 15, восьмым 20 и девятым масштабными блоками. Сигнал Xj подается на первый вход третье го сумматора 14, где он вычитается из сигнал ВЫЧАТ выходе третьего сумматора 14 формируется сигнал Xe),, Ц коэффициент передачи третьего сумматора 14. СигналХц подается через первый ключ 11 на вход квадратора 13, через второй ключ 12 - на вход кубического преобразователя 26 через седьмой масштабный блок 15 - на вход четвертого 19, пятого 23 и шестого 24 сумматоров. Таким образом, на выходе квадратора 82, . 6 13 формируется сигнал xL..j (:)-xO Через третий ключ 16 этот подается на входы четвертого сумматора 19 и восьмого масштабного блока 20. На выходе кубического преобразователя 26 формируется сигнал X еыц j j который через четвертый ключ 27 подается на входы шестого сумматора 24 и девятого масштабного блока 22, На выходе которого действует сигнал Хв,,К5121 гб 4 -Х; где ) коэффициент передачи девятого . масштабного блока 22, соответствующий значению второй опорной точки Aj . Путем аналогичных рассмотрений, приравнивая произведения козффивдентов единице или функциям.. по Х.; , получим выражения: для сигнала на выходе четвертого сумматора 19 X щ,, ..г - Для сигнала на выходе пятого сумматорГ 23 - 2 3. 14 для сигнала на выходе шестого сумматора 24 X выХ24 Сигналы XB,,,X , аыхаз вь). минаются соответственно в третьем 25, четвертом 28 и пятом 29 запоминающих блоках и через соответствующие четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 масштабные блоки подаются на входы второго сумматора 10, на выходе которого , т.е. на выходе преобразователя, в результате получили x,--f (. 1 Лг), СмНХьх- О ЧхО(Хв,-х) . где (Х.), Cx.iT - значение реализуемой функции и ее производных в точке 1 v Таким образом, диапазон изменения вход- . ного сигнала разбивается на М участков и функция аппроксимируется на каждом из них соответствующим многочленом 6-й степени относительно X pj . Это обстоятельство при соответствующем выборе участков аппроксимации позволяет достаточно точно аппроксимировать функции, имеющие конечное число точек разрыва первого и второго рода. Схема функционального преобразователя легко трансформируется для любой степени аппроксимирующего многочлена путем добавления ключей, сумматоров, эапоминак)щих устройств и масштабных блоков. Но уже при шестой степени многочлена существенно увеличивается точность аппроксимации, уменьшается количество участка аппроксимации по сравнению с известным преобразователем для щиро кого класса функции, Из приведенной формулы видно, что нелинейному п реобразованию подвергается не вся входная величина, а некоторая разность (X)t -- Х) между входной и опорной велич нами. Это позволяет для нелинейного преобра зования применять простые узкодиапазонные, но достаточно точные и широкополосные прео разователи. Функциональный преобразователь достаточно точно реализует широкий класс функции, для , построения его не требуется выссгкоточных и динамических диапазонов входного сигнала нелинейных преобразователей. При этом преоб разователь может бы.ть выполнен в виде одной БИС. Формула изобретения Функциональный преобразователь с кусочнонелинейной аппроксимацией, содержащий первы анализатор сигналов, соединенный с входом преобразователя, второй анализатор сигналов, ключи, запоминающие блоки и квадратор, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входного сигнала и повышения точности работы преобразователя, в него введены масштабные блоки кубический преобразователь, блок управления и сумматоры, первый Из которых соединен од ним входом с входом преобразователя, другим входом - с первым выходом первого ана лизатора сигналов, а выходом связан через первый масштабный блок с первым входом второго сумматора, входы которого со второго по шестой связаны с выходами соответству щих второго, третьего, четвертого, пятого и шестого масщтабных блокрв, седьмой вход второго сумматора соединен с вторым выходо первого анализатора сигналов, подключенного третьим выходом к управляющим входам первог второго, третьего, четвертого, пятого и шестого масштабных блоков, которые, кроме первого масштабного блока, другими входами связаны с выходами соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого запоминающих блоков, выход первого сумматора соединен с сигнальными входами первЬго и второго ключей, причем выход ключа через квадратор соединен с сигнальным входом третьего ключа первый выход которого связан с первым входом первого запоминающего блока, выход вто 82S рого ключа через кубический преобразователь связан с сигнальным входом четвертого ключа, первый выход которого соединен со входом второго запоминающего блока, вторые входы первого и второго ключей соединены с первым входом седьмого масштабного блока и с выходом третьего сумматора, первый вход которого подключен к второму выходу первого запоминающего блока и входу второго анализатора сигналов, связанного первым выходом с вторым входом третьего сумматора, второй выход третьего ключа соединен с первым входом восьмого масштабного блока и первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к второму вь1ходу второго анализатора сигналов, соединенного третьим выходом с первым входом пятого сумматора, второй В1;1ход четвертого ключа связан с первым входом девятого масштабного блока и с первым входом шестого сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом второго анализатора сигналовГ связанного пятым выходом с вторыми входами седьмого; восьмого и девятого масштабных блоков, выход девятого масштабного блока подключен к второму входу пятого сумматора, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первыми выходами седьмого и восьмого масштабных блоков, подключенных вторыми выходами соответственно к третьему и четвертому входам шестого сумматооа, причем третий выход седьмого масштабно1-о блока соединен с третьим выходом четвертого сумматора, подключенного выходом к входу третьего запоминающего блока, выход пятого сумматора подключен к входу четвертого запоминающего блока, выход шестого сумматора к входу пятого запоминающего блока, выход блока управления - к управляющим входам ключей, а выход второго сумматора - к выходу преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 411463, кл. G 06 G 7/12, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 254212, кл. G 06 G 7/26, 1968. 3.Авторское свидетельство СССР № 374622, кл. G 06 G 7/28, 1970 (прототип).