Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины

Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИСЖТКЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устройства , четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор , одна ИЗ вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым И вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиапазона , вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя , а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона И через реверсивный счетчик соединен с управлякщим входом переключателя , сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подg ключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока § задания кода, отличающеес я тем, что, с целью распмрения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивлеСд9 ния, управляющие входы которых сое90 динены с выходом реверсивного счетчика , первое цифроуправляемое сопро;о тивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инвертирующим входом второго операционного усилителя И его выходом., соединенным с другой вершиной второй диагонали моста.

СОЮЗ ОООЕТСНИХ

NUNllOI

PECAVSËÈÍ зов С,06С 7 12.

Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й ABTOPCROIIIV СВИДВТВЛЬСТВУ

ГООУДАРС %ЕННЮ КОМИТЕТ 0СОР

М ВВ Ф (21) 3604301/18-24 (22) 15.06. 83 (46) 15;09. 84. Бюл. к- 34 (72) Е. И, Баду, В.В. Дубаренко и Ю.В.Марков (53) 681.335(088.8) (56) 1. Бабушкин Ф.М., Рыбашов М.В.

Оптимальное масштабирование в АВМ и ГВС. Минск, "Наука и техника", 1976.

2. Патент США Ф 3778607, кл. 235-183, опублик. 1973.

3. Заявка Японии й? 49-19341, кл. 97(8), с. 2, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР

W 815729, .кл. С 06 0 7/12, 1978.

5. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3534620/18-24, кл. C 06 C 7/12, 15.01.83 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ

СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИС,1ЖТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом уст ройства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиа.80„„. 1113809 А пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярнымн входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого операционно- 9 го усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, отличающее - Я с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы которых соединены с выходом реверсивного счетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление — между инвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом., соединенным с другой вершиной второй диагонали моста.

1 11138

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к аналоговым вычислительным машинам, и может быть использовано для моделирования динамических систем с большими динамическими диапазонами изменения физических переменных.

Одной из важнейших характеристик вычислительных блоков (ВБ) АВМ является динамический диапазон. В совре- 10 менных АВМ он достигает 10, но практически снижается до 10-50. из соображений обеспечения точности решения динамических задач (13..

Указанное обстоятельство приводит 15 к применению переменного масштабирования и, в частности, автоматической сиены масштабов для моделирования динамических систем с диапазонами изме4 6 нения физкческих переменных 11 — 10 д) и более.

Известно устройство автоматической смены масштабов, содержащее блоки, анализирующие в цифровой форме исходные дифференциальные управления и 25 рассчитывающие максимальные значения соответствующих переменных пд приближенным формулам (2).

Недостаток этого устройства — его сложность, так как оно имеет в своем З0 составе цифровую машину, а точность вычисления масштабных коэффициентов невысокая.

Известно аналоговое вычислительное устройство для вычисления масштабного коэффициента, включающее блок, устанавливающий величину коэффициента, функциональный генератор,, формирующий логарифмическую Величину масштаб-. ного коэффициента, операционный и 40 сравнивающий усилители t3j.

Недостатки такого устройства обусловлены низкой точностью из-за нелинейного логарифмического преобразования, а также сложностью устройства.

Известны также устройства автоматической смены масштабов, реализующие метод ступенчато изменяющегося масштаба. Этот метод основан на 50 разбиении всего диапазона измерения переменной на поддиапазоны с выбором масштаба переменной на каждом поддиапазоне. При постоянстве коэффициента расширения поддиапазона, равно- 55

ro отношению максимального значения переменной на данном поддиапазоне к минимальному (в машинной интерпре09 2 тации это означает отношение максимального напряжения АВМ, где шкала

ABM - верхняя граница, и напряжения нижней границы, например 10В, т.е. для. АВМ со стовольтовой шкалой

100/ 10=10) переход иэ поддиапазона в поддиапазон сводится к переводу машинной переменной с верхней границы на нижнюю или наоборот (в зависимости от характера изменения переменной) выставки начального условия на интеграторе и изменения коэффициента передачи.

Указанные выше устройства содержат интегратор, блок фиксации границ, блок запрета ложного импульса, реверсивный счетчик импульсов, блок сопряжения (4) .

Недостаток указанных устройств малый диапазон коэффициента передачи интегратора (10 — 10 ) и низкая

4 точность выставки коэффициентов передачи интеграторов при переходе масштабируемой переменной из поддиапазона в поддиапазон.

Наиболее близким к изобретению является устройство автоматической смены масштабов для АВМ, содержащее операционный усилитель, мост, плечи которого содержат ключи, в одну из диагоналей включена емкость, а другой диагональю он подключен к входу, и выходу операционного усилителя, блок фиксации границ поддиапазона, подсоединенные к выходу операционного усилителя интегратора, блок сопряжения, подсоединенный к выходу блока фиксации границ поддиапазона, реверсивный счетчик импульсов, подсоединенный к блоку сопряжения, переключатель, подсоединенный к выходам реверсивного счетчика импульсов, два цифроуправляемых сопротивления, блок задания кода и сумматор (5).

Недостаток данного устройства заключается также в .малом диапазоне выставляемых значений коэффициента передачи интегратора (10 ), что сужа5 ет возможности. масштабирования физической переменной, изменяющейся в более широких пределах.

Цепь изобретения — расширение динамического диапазона изменения масштабов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины, содержащее первый

3 11!3 операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое соп.ротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устрой- ства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого опера- !0 ционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственнь с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации границ подциа- !5

:пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усили.теля, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу бло- 20 ка формирования границ поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного нап- 25 ряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапаэона, выходом соединенного с первым входом сумматора, 4Ф и- поддиап.

Ъ с

Резистор < б

1 1 1

0 1

1 1 0

1 1

1 1

1 1

0

"в "в в й, 4 g йл "ч "8 RiaR i "ьл "е R +R iA +Rq

10 10

10"

102

10 -2

Устройство автоматической смены масштабов (фиг. 1) содержит операционный усилитель 1, блок 2 фиксации границ поддиапазона, блок 3 сопряжения, Схема комму- R R +R ь в тации л

809 второй вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы. которых соединены с выходом реверсивного начетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго опера ционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление — между инвертирующим входом второго операцион-. ного усилителя и его выходом, соедиI ненным с другой вершиной второй диа; гонали моста.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2— процесс масштабирования произвольной функции; на фиг. 3 и 4 — блок-схемы отдельных узлов.

В таблице показаны эначенйя коэффициента передачи интегратора для различных номеров поддиапаэонов. реверсивный счетчик 4 импульсов, блок

5 задания кода, цнфроупраэляемое соп ротивление 6, ключи 7-10, переключатель 11, блок 12 формирования грани5 111380 цы поддиапазона, блок 13 задания кода, сумматор 14, операционный усилитель 15; входное цифроуправляемое сопротивление 16, цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи, интег- . 5 рируйций конденсатор 18. !

Ка чертежах приняты следующие обозначения: Е„„- максимальное напряжение линейной зоны вычислительного блока (интегратора) - шкала АВИ, 0, — опорное напряжение, Я вЂ” входная.машинная, переменная, Х вЂ” выход- . ная машинная переменная, q — промежуточная машинная переменная.

Блок 2 фиксации границ поддиапа- 15 эона (фиг. 3) содержит два компаратора 19, два разделительных диода 20 и триггер 21. Выходы компараторов 19 подсоединены к блоку З.сопряжения, а выходы триггера 21 — соответствен- 20 но на управляющие входы ключей 8 и

10, 7 и 9.

Блок 3 сопряжения (фиг. 3) содержит два многовходовых логических элемента ИЛИ 22, к входам которых под- 25 соединены выходы соответствующих эле.ментов других устройств автоматической смены масштабов, производящих автомасштабирование по переменным, функционально связанных с масштаби- зо руемой переменной

Переключатель 11 (фиг. 3) содержит . два многовходовых логических элемента ИЛИ 23, управляемый ключ ?4, например, и/с серии 590.

Блок 12 формирования границы поддиапазона содержит — разрядную резистивную матрицу К -2 R 25, логические элементы ИЛИ 26, и И 27.

Блок 13 задания кода содержит набор тумблеров 28, выходы которых подсоединены к логическим элементам

И 27, а входы их подсоединены к положительному (это зависит от типа мик- росхем, используемых в блоке 12) по- 45 люсу источника опорного напряжения.

Данный блок осуществляет задание кода, преобразуемое блоком 12 формирование гарницы поддиапазона в постоянное напряжение, соответствующее гра- > нице поддиапазона.

Цифроуправляемое сопротивление 16 и цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи содержат резисторы

29 8 4 - К, и ключи 30. Эти блоки представляют собой реэисторные секции, состоящие соответственно из резисторов Р, g — и и К„- й, каждый ре9 6 зистор кроме К„H Кз шунтирован ключом 30, который в нормальном положении замкнут. Резисторы выбираются такого номинала, чтобы обеспечить кратное порядку изменения коэффициента передачи интегратора прн переходе машинной переменной в соседний поддиапазон.

Блок 5 задания кода (фиг. 4) содержит логические элементы И3! и набор тумблеров 32. Количество тумблеров определяется разрядностью резистивной матрицы К -2К 33 цифроуправляемого сопротивления 6, например, м/с серии 301.

Ключи 7-10 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах.

Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины работает следующим образом

В зависимости от характера изменения машинная переменная АВМ может пересекать границы поддиапазона +Епк»» и -Е „, » (фиг. 2). Факт пересечения машинной переменной одной из границ служит началом процесса смены масштабов. Этот момент фиксируется блоком фиксации границ поддиапазона (фиг.1).

Пусть промежутчоная машинная переменная q возрастает (фиг. 2) и в момент С пересекает +Е . Сравнение машинной переменной с выхода операционного усилителя 1 интегратора с напряжением границы +Е „ „ происходит на компараторе 19, на выходе которого образуется импульс, проходящий через разделительный диод 20 на счетный выход триггера 21 и на вход блока 3 сопряжения (фиг. 2). Переход триггера 21 в противоположное состояние вырабатывает сигнал управления для пар ключей 7, 9 и 8, 10. Это приводит к тому, что, например, пара ключей

8, 10 закрывается, пара 7, 8 открывается. При таком переключении ключей конденсатор 18 оказывается включенным

"наоборот", т.е. вместо напряжения

+Е д„ на выходе операционного усилителя 1 интегратора оказывается напряжение -Ед, ». Поскольку масштабируемая переменная возрастает, то дальнейший процесс ее изменения происходит от

-Е „д„. Одновременно импульс с компаратора 19 поступает на вход логического элемента ИЛИ 22 блока сопряжения. По другим входам этого логического элемента поступают сигналы от других устройств автоматической смены масштабов, с которыми функционально связана масш11138 табируемая переменная. Сигналы с выхода логических элементов ИЛИ 22 поступают на вход реверсивного счетчика импульсов 4, вызывая изменение его состояния. Выходы логических элемен- 5 тов ИЛИ 22 образуют шины сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов 4, т.е. поступающая информа- ция по этим шинам производит переключения выходов реверсивного счетчика ,импульсов 4 в сторону положительных (сложение) или отрицательных {вычитание) номеров поддиапазонов (фиг. 3).

Предположим, что машинная переменная переходит в момент смены масштабов 15 из нулевого поддиапазона в первый (это соответствует прохождению им,пульса по шине сложения). При этом для масштаба переменной на нулевом поддиапаэоне заранее был рассчитан 20 коэффициент передачи, выставляемый на резистивной матрице R -?К 33 цифроуправляемого сопротивления 6 с по1аощью блока 5 задания кода (фиг. 4).

Эта операция осуществляется с по- 25 мощью комбинации включения тумблер»в

32 и подачи напряжения + 11вп на входы соответствующих логических элементов

И 31, по другим входам которых это напряжение присутствует постоянно. gp

Для-резистивной матрицы R -".R 33; содержащей 10 разрядов, значение коэффициента передачи К„ (при коэффициенте передачи интегратора Кк равном 1, что соответствует нулевому под-З5 дипазону), может быть выставлено в диапазоне значений от 0,001 до 1.

Таким образом, общий коэффициент передачи интегратора определяется, как

К и = К + . K>. Изменение К „может быть 4О осуществлено в процессе решения изменением K что связано с переходом масштабируемой из поддиапазона в поддиапазон и соответствующим изменением масштаба этой переменной на по- 45 рядок.

Переход переменной в первый поддиапазон и связанное с этим появление импульса по шине сложения на выходе реверсивного счетчика импульсов 4 приводит к изменению состояния его выходов. На выходе, соответствующем первому поддиапазону, появляется сигнал, который приводит к срабатыванию ключа 30 и расшунтировке резистора Ц, (см. таблицу — схему коммутации, в таблице принято: 1 — нормальное замкнутое положение ключей

09 8

30; 0 — рабочее разомкнутое положение ключей). При расшунтировке R, изменяется коэффициент передачи интегратора с 1 на 10, при выбранньи, например, значениях номиналов резисторов:„

R,= 0,01М, R, - 0,09М,R,=0,9ИР,-9Н. .В1,= 0,01М. Аналогично будут происходить подключения других резисторов управляемых сопротивлений 17 и 16 обратной связи и соответствующее этим подключениям изменения коэффициента

К» в зависимости от номера поддиапазона.

Выходы положительных поддиапазонов реверсивного счетчнка импульсов 4 подсоединены к логическому элементу

ИЛИ 23,, а отрицательных — к элементу

ИЛИ 23 . Выходы этих элементов под соединены к управляемому ключу 24.

Выход нулевого поддиапазона не подключен к логическим элементам HJIH 23.

Это означает, что при прохождении масштабируемой переменной в нулевом поддиапазоне на вход управляемого ключа 24 сигнала переключения не поступает. Как только масштабируемая переменная переходит в другой поддиапазон, например в первый, что соответствует появлению сигнала на выходе реверсивного счетчика 4 импульсов, на выходе логического элемента

ИЛИ 23 появляется сигнал, приводящий к срабатыванию управляемого ключа .24.

При срабатывании управляемого ключа

24 производится коммутация одного из полюсов источника опорного напряжения (1 „ . В частности, если масштабируемая переменная положительная, то коммутируется - U „ H наоборот. Смена знака полярности 0 „ происходит только при переходе масштабируемой переменной через нулевой поддиапазон. С выхода управляемого ключа 24 напряжение поступает на вход резистивной матрицы R -2R 25 блока 12 формирования границы поддиапазона. К каждому разряду этой матрицы подсоединены выходы логических элементов И 27. На один иэ входов этих логических элементов подсоединены соответственно выходы тумблеров 28 блока 13 задания кода. Код числа, определяющего значение границы поддиапазона, задается включением соответствующих тумблеров

28, с помощью которых на входы логических элементов И 27 подается поло- жительное напряжение Ор . К другим

lll3809

10 входам логических элементов И 27 подсоединен выход логического элемента

ИЛИ 2б блока 12 формирования границы поддиапазона. Появление сигнала на любом из входов логического элемента

ИЛИ 26 приводит к появлению сигнала на входах логических элемент6в И 27, что обеспечивает передачу кода числа, выставленного на тумблерах 28 для под-. ключения соответствуюпих разрядов ре 30 зистивной матрицы 25. Поскольку вхо-. ды логического элемента ИЛИ 26 подсоединены к выходам логических элементов ИЛИ 22, на выходах которых образуется. сигнал при нахождении мас штабируемой переменной в одном из поддиапазонов, кроме нулевого, то в резистивной матрице К -2 К 25 разряды, определяемые выставленным кодом, будут соответственно включены для всех поддиапазонов, за исключением нулевого. Подача напряжения на вход этой матрицы приводит к образованию напряжения границы, подаваемого на сумматор l 4, по другому Входу которого поступает напряжение с выхода операционного усилителя интегратора.

В результате сложения двух напряжений образуется-масштабированная,машин ная переменная X изменяющаяся в

Ю выставленных границах.

Таким образом, в предлагаемом устройстве расширяется динамический диапазон интегратора за счет введения в обратную связь операционного усилителя с управляемыми сопротивлениями в обратной связи и на входе. При таком схемном решении и значениях резисторов, приведенных в качестве примера, динамический диапазон интегратора на два порядка больше чем у прототипа.

Кроме того, при учете динамического диапазона цифроуправляемого сопротивления, равного 10, общий динамический диапазон интегратора будет

10,. что позволяет моделировать широкий класс динамических объектов.

11 I 3809

1113809

ВНИИПИ - Заказ 66?1/41

Тираж 698 Подписное

Филиаа ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4