Функциональный преобразователь Советский патент 1981 года по МПК G06G7/26 

1

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники и автоматики.

Известен функциональный преобразователь ll, содержащий генера- тор импульсов, элементы И, ключи, резисторы, усилитель с усредняющей обратной связью и многоканальный распределитель импульсов, выполненный на счетчике и дешифраторе. Недостатком преобразователя является сложность регулировки сигнала в узлах интерполяции, в частности, при необходимости изменить выходной сигнал в i-M узле, не изменяя его в остальных узлах, требуется произвести регулировку всех резисторов, начиная с 1-1.

Известен функциональный преобразователь Г21, содержащий генератор импульсов, соединенный выходом со входом многоканального распределителя импульсов, подключенного выходом ко входу генератора пилообразного напряжения, выход которого через первый масштабный резистор соединен с входом нуль-органа, подключенным также через второй масштабный резистор к первому входу импульсного функционального преобразователя, причем второй вход преобразователя через ряд параллельных цепей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных регулируемого резистора и ключа, подключен ко входу выходного усилителя с усредняющей обратной связью. Недостатком этого функционального преобразователя является

10 сложность регулировки выходного сигнала в узлах интерполяции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является функциональный преобразователь Гз содержащий задающий генератор импульсов, п-канальный распределительимпульсов , вход которого соединен с выходом задающего генератора импульсов, генератор пилообразного

20 напряжения, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом п-канального распределителя импульсов, m блоков аппроксимации, каждый из которых содержит операционный усилитель, вход которого является выходом преобразователя, интегрирующий конденсатор, включенный между - входом и выходом операционного усилителя, п ключей, соединенньцс выходами со входом операционного усилителя, и п элементов И, выходы когорых подключены к управляющим входам соответствующих ключей, а первые входы - к соответствующим выходам п-канального распределителя импульсов, нуль-орган, вход которого через первый масштабный резистор подключен к выходу генератора пилообразного напряжений, второй масштабный резистор, один вывод которого соединен со входом нуль-органа, а другой является входом аргумента преобразователя, ключ ввода смешения, выход которого подключен ко входу нуль-органа, а информационный вход через третий масштабный резистор соединен с шиной one ного напряжения, триггер управления, счетный вход которого подключен к выходу нуль-органа, а выход - ко вторым входам элементов И и к управляющему входу ключа ввода смешения, п блоков задания ординат узлов интерполяции, входы которых объединены и являются входом сомножителя преобразователя, резистор обратной связи, включенный меЙоду входом И выходом операционного усилителя, выходы блоков задания ординат узлов интерполяции соединены с информационными входами соответствующих ключей.

Недостатком такого функционального преобразователя является низка точность, обусловленная линейной интерполяцией функции между узлами интерполяции.

Целью и-зобретения является повышение точности преобразователя за счет гиперболической интерполяции.

Это достигается тем, что функциональный преобразователь, содержащий задающий генератор импульсов, пканальный распределитель импульсов, вход которого соединен с выходом задающего генератора импульсов, генертор пилообразного напряжения,управляющий вход которого соединен с управляющим выходом п-канального распределителя импульсов, m блоков аппроксимации, каждый из кот;орых содержит операционный усилитель, вх которого является выходом преобразователя, интегрирующий конденсатор, включенныР между входом и выходом операционного усилителя .п ключей, соединенных выходами с входом операционного усилителя, п элементов И, выходы которых подключены к управлящим входам соответствующих ключей, а первые входы - к соответствующим выходам п-канального распределител импульсов, нуль-орган, вход которого через первый масштабный резистор подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, второй масштаный резистор, один вывод которого соединен со входом нуль-органа, а другой является входом аргумента преобразователя, ключ ввода смешени

выход которого подключен ко входу нуль-органа, а информационный вход через масштабный резистор соединен с шиной опорного напряжения,триггер управления, счетный вход которого подключен к выходу нуль-органа, а выход - ко вторым входам элементов И и к управляющему входу ключа ввода смещения п блоков задания ординат узлов интерполяции, входы которых объединены и являются входом сомножителя преобразователя, дополнительно содержит в каждом блоке аппрок-. симации п резисторов обратной связи и п резисторов, определяющих степень нелинейности, включенных между выходами соответствующих блоков задания ординау узлов интерполяции и информационными входами ключей. Резисторы обратной связи соединены одним выводом с выходом операционного усилителя, а другими выводами подключены к выходам соответствующих блоков задания ординат узлов интерполяции.

На фиг.1 показана функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 временная диаграмма работы преобразователя; на фиг. 3 - схемы, поясняющие вывод основных соотношений, характеризующих работу функциональногопреобразователя; на фиг. 4 - приведены зависимости выходного напряжения преобразователя от его параметров.

Функциональный преобразователь содержит генератор импульсов 1, п-канальный распределитель импульсов 2, генератор пилообразного напряжения 3, m блоков аппроксимации 4 г(у каждый из которых выполнен на первом втором и третьем масштабных резисторах 5,6 и 7, ключе ввода смешения 8, нуль-органе 9, триггере управления 10, операционном усилителе 11, интегрирующем конденсаторе 12, п блоках задания ординат узлов интерполяции , п элементах И , п ключах , п резисторах, определяющих степень нелинейности 16x,-16j и п резисторах обратной связи .

Преобразователь работает следующим образом.

В начале рабочего цикла, когда напряжение на выходе генератора 3 минимально, нуль-орган 9 и триггер 10 находятся в положении, при которо все элементы И , оказываются закрытыми, а цепи резисторов 7, , 17 -17, отключенными ключами 15.-15.

Линия Up на фиг.2 дает график изменения пилообразного напряжения, снимаемого с выхода генератора 3. Линейный участок Up по времени соответствует п периодам генератора импульсов (на фиг.2 линейная часть Up формируется в течение четырех отрезков времени 0,1,2,3).

В течение времени, соответствующего участкам 4 и 5, генератор пилообразного напряжения 3 подготавливается к следующему циклу. После того, как напряжения Up на выходе генератора пилообразного напряжения 3 достигает по абсолютному значению величины входного напряжения 1) (фиг.2), сработает нуль-орган 9. Для упрощения описани принято, что сопротивления резисторов 5 и 6 равны. При этом условии .нуль-органа срабатывают в момент, отстоящий от начала цикла на время

1 ц;

riav-c

где

-интервал времени между импульсами генератора 1

Up

-максимальная величина

mdx напряжения г-енератора 3

Время t можно представить как сумму целого числа а(, интервалов и некоторого времени ( где О Q - (с1-: .Оиг, 2)

t,-(i.+9)r.

После срабатывания нуль-органа 9 переключается триггер 10 и на его выходе появляется сигнал соответствующий логической единице. Сигнал с выхода триггера 10 поступает на вторые входы элементов Н 14 14 и управляющий вход ключа 8.

Под действием сигнала с триггера 10 и сигнала, поступающего с п-канально о распределителя 2 переключится один из элементов И ,, соответствующий узлу интерполяции с номером d- Его переключение приводит к включению одного из ключей , соответствующему узлу интерполяции с номером

и поступлению

на вход операционного усилителя 11 тока i. Величина тока i определяется напряжением на выходе усилителя 14 и настройкой элементов, соответствующих узлу интерполяции с номером d- , одного из блоков зада-ния ординат узлов.интерполяции одного из резисторов обратной связи 17 -17г, , одного из резисторов 16 1-16., определяющего степень нелинейности.

Под действием сигнала, соответствующего логической единице и поступающего с выхода триггера 10,происходит замыкание ключа 8. В результате на вход нуль-органа подается дополнительный ток, поступающий от источника опорного напряжения Uof, через резистор 7. Дополнительный ток выбирается таким, что точка срабатывания нуль-органа 9 смещается на

величину uU -G132L.

Появление смещающего сигнала приводит к возврату нуль-органа 9 в исходное положение. Однако триггер

10 остается во включенном положении, так как он переключается передним фронтом импульса на выходе нульоргана 9, и ток i продолжает поступать на вход усилителя 11. В момент времени

:L+ l)

-jL

произойдет очередное переключение п-канального распределителя 2 (фиг.2) и один из ключей 15-,-15,0соответствующий узлу интерполяции с номером ( отключится, а включится Один из ключей ,, соответствующий узлу интерполяции с номером с/- +1. В результате на вход уси5лителя 11 будет подан ток i.. .Величина тока ij)C+4 определяется напряжением на рыходе усилителя 11 и настройкой элементов, соответствующих узлу интерполяции с номером о(-+1.

0 Ток ijC-vi поступает на вход усилителя до повторного переключения триггерс1 10, которое произойдет в момент времени t,, при повторном срабатывании нуль-органа 9.

5

Время t (фиг.2) определяется выражением

,() После повторного переключения

0 триггера 11 все ключи 15,-15, будут закрыты, а ток на входе усилителя 11 снизится до нуля и сохранится таким до следующего цикла.

Таким образом, за один, цикл рабо5ты п канального распределителя 2 на вход усилителя 11 подан заряд

Q () +

i(t а - t,,) (1)

В установившемся режиме работЕы функционального преобразователя заряд Q должен быть равен нулю. В противном случае имело бы место изменение напряжения на выходе усилителя 11 от цикла к циклу и, слездовательно, режим был бы переходным.

Произведем расчет зависимости выходного напряжения преобразователя от величин напряжения U и U, поданных на первый и второй, вход.

Расчет поясняют cxet, приведённые на фиг.З.

заменим задатчики ординат узлов интерполяции эквивалентными схемами состоящими из источника ЭДС К и последовательно с ним включенного эквивалентного внутреннего сопротивления Rgj ....Эквивалентное внутреннее сопротивление задатчика at RqoL. резистор обратной связи ROC ck- RCOL группы резисторов ) и резистор Кнс1 . деляющий степень нелинейности (из группы резисторов 16,, -16.,) включены по схеме звезды (фиг.З,а). Схема звезды может быть заменена эр№ивалентной схемой треугольника, составленного из трех резисторов , Rgc , (фиг.3,6).

В соответствии с известными формулами преобразования звезды в эквивалентный треугольник .0 Лс.-«. i boi-Rc о Г) 4. D . t)oi , feodL bd. оЛ R CcdL-R oL RcoL adLТогда ток iflC/ поступающий на вх усилителя 11, потенциал, которого весьма близок к нулю, определится соотношения Аналогичное выражение можно зап сать для тока ; Е зС+1. вЫ ab(.-) cCdl- -i) Подставим теперь выражения ijL в формулу (1) и примем во в мание, что в установившемся режим Q 0- Тогда можно записать EdL , ивьк /4 , ,/ Ed-n R Uato(.i) Rbc ()J .-TT, Учитывая, что (Vi,(з-Ч) иШ5Цм 0и/4 1 +iMlO 0 RfeCoL/ . Hated bed/ ated bC(i/ ti. (д)ч-..- afacC gqWdl-t-i При Выходное напряжение Uetii t0cO при Q 0 не зависит от величины сопротивления резистора Rg JL, В этом легко убедиться, подставив выражение (6) значения из выражений (2) и (3). Это ясно из физических соображ НИИ: при работает только ключ oL ключ все время закры и для того, чтобы напряжение на ходе усилителя 11 оставалось неи ным, необходимо чтобы входной то протекающий через резистор через резистор . а в этом случае вели равен нулю.

сопротивления резистора R не ет, роли.

При ,

, Ed..-,j|J лЬ (A-k-1) 8biK9 i cL+i«a{d+-i) gbiy 0 соответствует работе в ле интерполяции оС Поэтому вместо j,,y можно записать Usfeix Д.VI разить через него -F -I) aci - Выии Аналогично .-р . -и , ,а(Алл ) E.,-V,x(cC..) R Подставив теперь значения Е и в формулу 15), получим Цвыха Rgd-,. Q, ВыхЦ a(d+-i) и Rcd. goife(di+i) ) Bwx0 - бозначим Rt)CdL/ bc((L-H)- огда выражение (8) может быть предтавлено в следующем виде: ид..,. ..gM.(f.6j(t. ...Ьь. .daWg . .ЦН) Pbc(dH)4cfelM) tOtH)Pbc(dH)4cfelM) )WX9 Bt j {l-9).e.. ъс(А+1) Принимая во внимание, что R...,.R,.. .. lbcd cActci;- -Rbdi+ . W С -й , fa()(d4-l) g ft/bc(d-Hj 4(d.() Roi(dL-t--i) C(AM; .(d.i) RcCd+t) получим :ЛУМ± 1 1 1 5 : д).9.1Ъ Можно полагать, что выражение (9) описывает гиперболу с асимптотами, параллельными осям ординат, которая вырождается в прямую ЛРИ (Ь 1,0. Зависимость от & при различных значениях параметра р. приведена на фиг.4. Она показывает,что предложенный функциональный преобразователь осуществляет нелинейную интерполяцию воспроизводимой функйии, причем степень нелинейности для каждого участка интерполяции устанавливается независимо. Предлагаемый функциональный преобразователь за счет использовал.-.-.I: - ния нелинейной гиперболической интерполяции позволяет более точно моделировать гладкие функции при том же числе узлов интерполяции, что и в прототипе, либо значительно уменьшить число узлов интерполяции без уменьшения точности аппроксимации.

Формула изобретения

Функциональный преобразователь, содерхсащий задакяций генератор импульсов, п-канальный распределитель импульсов, вход которого соединен с выходом задающего генератора импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом п-канального распределителя импульсов, ш блоков аппроксимации, каждый из которых содержит операционный усилитель, выход которо го является выходом преобразователя, интегрирующий конденсатор, включенный между входбм и выходом операционного усилителя, п ключей, соединенных выходами со входом операционного усилителя, и п элементов И, выходы которых подключены к Управляющим входам соответствующих ключей а первые входы - к соответствующим выходам п-канального распределителя импульсов, нуль-орган, вход которог через первый масштабный резистор подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, второй масштабный резистор, один вывод которого соединен со входом нуль-органа, а другой является входом аргумента

преобразователя, ключ ввода смерлэния, выход которого подключен ко входу нуль-органа, а информационный вход через третий масштабный резистор соединен с шиной опорного напряжения, триггер управления, счетный вход которого подключен к выходу нуль-органа, а выход -ко вторым входам элементов И и к управляющему входу ключа ввода смещзния, п блоков Зсщания ординат узлов интерполяции, входы которых объединены и являются входом сомножителя преобразователя, о. тличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет гиперболической интерполяции, он содержит в каждом блоке аппроксимации п резисторов обратной связи и п резисторов, определяющих степень нелинейности, включенных между выходами соответствующих блоков задания ординат узлов интерполяции и информационными входами ключей, резисторы обратной связи соединены одним выводом с выходом операционного усилителя, а другими выводами подключены к выходам соответствующих блоков задания ординат узлов интерполяции .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Пухов Г.Е. Справочник по аналоговой вычислительной технике. Техника, 1975, с. 195 рис. 3.46.

2.Патент США № 3 689 754, кл. 235г197, опублик. 1972.

3.Авторское свидетельство СССР № 640321, кл. G 06 G 7/26, 1978

(прототип).

Km,