Аналоговый решающий узел

Аналоговый решающий узел

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii>849244

Союз Советскик

Социалистическик

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 23. 07. 79 (21) 2799931/18-24 с присоединением заявки М (23) Приоритет

5 (51)М. Кл.

& 06 G 7/46

Государственный комитет

Опубликовано 23.07.81, Бюллетень Рй 27 по делам изобретений и открытий (5Ç) УДК681.333 (088. 8) Дата опубликования описания 25 .07 . Sl

Ю. И. Дзибалов, А. И. Копотилов, М. Г. твииенкоз

А. Т. Лукьянов и В. И. Щербак 1 (72) Авторы изобретения

С

Казахский ордена Трудового Красного амени

1 государственный университет им. С. М. Кирова

/ (7I) Заявитель (54) АНАЛОГОВЫЙ РЕШАЮЩИЙ УЗЕЛ

Изобретение относится к аналоговым вычислительным устройствам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений с использованием реэистивных сеток.

Известен резистивно-емкостной ре5 шающий элемент, содержащий резистор, конденсатор, плоскую проводящую среду и источник питания $1), Однако данное устройство не обес1о печивает высокую точность решения дифференциальных уравнений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для аналогового моделирова 15 ния задачи теплопроводности, решающий узел которого содержит операционный усилитель, два конденсатора, резистор и три ключа j2J, Недостаток известного узла заключается в том, что отсутствует входной операционный усилитель. Включение входной клеммы узла в резистивную сетку беэ входного операционного усилителя вызывает искажение аналогового сигнала, что приводит к возрастанию погрешности, а также увеличивает время записи напряжения иэ резисторной сетки в конденсаторы памяти. В схеме решающего узла предусмотрена статическая коррекция погрешности, в то время как смещение и температурный дрейф нуля операционного усилителя имеют характер постоянно изменяющейся во времени величины. Коррекция статического типа позволяет избавиться от погрешности лишь частично и требует периодической ручной настройки. Каждый из двух конденсаторов памяти после записи величины напряжения вначале отключается от входной клеммы узла, а затем подключается к входу операционного усилителя. В результате импульсных помех, возникающих при коммутации, появляется дополнительный источник помех, искажающих величину напряжения, записанного на обкладках конденса3 849 тора. Включение сумматора для иммита-, ции постоянного источника тепла в каждый решающий узел не является необходимостью.

Кроме того, узел предназначен для решения только одномерных задач и не позволяет осуществить аналоговые вычисления для двух- и трехмерных моделей.

Цель изобретения — повышение точности вычислений.

Поставленная цель достигается тем, что в узел, содержащий первый операционный усилитель, первый и второй запоминающие конденсаторы, корректирующий резистор, первый, второй и третий ключи, дополнительно введены ключи, два операционных усилителя, управляемый резистор, интегратор и масштабирующие резисторы, причем неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с переключающим контактом первого ключа, замыкающий контакт которого соединен с шиной нулевого потенциала, размыкающий контакт первого ключа подключен к переключающему контакту второго ключа, размыкающий контакт которого соединен с входом узла, размыкающий контакт второго ключа подключен к входу промежуточных решений, выход первого операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и через замыкающие контакты третьего и четвертого ключей соответственно с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через замыкающий,контакт пятого ключа подключен к первой обкладке первого запоминающего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, неинверти— рующий вход четвертого операционного усилителя через замыкающий контакт шестого ключа подключен к первой обкладке второго запоминающего кон— денсатора, вторая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, инвертирующнй вход второго опе-рационного усилителя подключен к переключающему контакту седьмого ключа, за мыкающий контакт которого соединен с замыкающим контактом восьмого ключа и первым выводом резистора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, инвертирующий

244 4 вход третьего операционного усилителя с оеди не н с и ер еключающим контактом восьмого ключа, размыкающий контакт которого подключен к выходу третьего операционного усилителя, замыкаю5 щему контакту девятого ключа, и через замыкающий контакт десятого ключа подключен к входу интегратора, вход которого через замыкающий контакт одиннадцатого ключа подключен к размыкающему контакту седьмого ключа, выходу второго операционного усилителя и размыкающему контакту девятого ключа, переключающий контакт которого соединен с выходом узла и через замыкающий контакт двенадцатого ключа соединен с входом узла, входной и выходной вывод управляемого резистора включены в цепь коррекции погреш20 ностей смещения нуля первого операционного усилителя, управляемый электрод управляемого резистора подключен к выходу интегратора, дополнительный выход узла соединен с выходом третье25 го операционного усилителя, выходы второго и третьего операционных усили— телей через соответствующие масшта— бирующие резисторы соединены с инвертирующими входами второго. и третьего операционных усилителей соответственно.

На фиг, изображена схема аналогового решающего узла; на фиг. 2 эпюры импульсных напряжений управу ления процессами решения, коррекции погрешности и изменения режимов;на фиг. 3 — схема подключения решающего узла в резистивную сетку и к внешним устройствам.

40 Решающий узел содержит первый 1, второй 2 и третий 3 операционные усилители, интегратор 4, ключи 5-16, конденсаторы )7 — 19 .масштабирующие резисторы 20 н 21, резистор 22 .и

45 управляемый резистор 23.

На эпюрах, приведенных для ключей5-16, положение с "низким" уровнем соответствует нормальной коммута,ции подвижных контактов ключей, а с высоким" -противоположной.На шкале обозначены . характерные моменты времени в процессе управления решающим узлом.

Решающий узел 23 подключен своей

55 клеммой Вход" в резистивную сетку

24 в точке с напряжением U,а клемtf ll

,мц мой Выход — к точке с напряжением

11, где n — порядковый номер по п,к

В момент времени Ь„ возникает необходимость произвести переход в режим поиска решений по методу расщепления. С этой целью на ключ 16 подается "низкий" уровень, на ключ 6 периодически подается "высокий" или !!Низкий!! Уровеиьв причем высокий уровень на ключе 6 присутствует одновременно с "высоким уровнем" на ключе 7.

Последнее относится к "низкому" уровню на этих ключах. При этом на

5 8492 пространственной координате сетки, кпорядковый номер по временным слоям. искомого решения,U „,U — значения и- + и+ !,к» напряжения в соседних пространственных .точках сетки. 5

Клемма "Промежуточные решения" подключена через ключ 25 к источнику 26 напряжения начального условия, через ключ 27 — к источнику 28 напря. жения граничного условия, через ключ

29 — к выходу ОЗУ 30. Клемма "Дополнительный выход" через ключ 31 подключена к входу ОЗУ 30.

Работа решающего узла начинается с момента времени to в режиме ввода начальных условий. "Высокий" уровень подается на ключи 5,6,7,10,11 и 15.

В результате, входной операционный усилитель 1 с заземленным входом соединяется в последовательную цепь с выходйым операционным усилителем 2, который переводится в режим усилителя с коэффициентом усиления к = и, и его выход отключается от клеммы

"Выход".

В момент времени t,"Bûñîêèé" уровень подается на ключ 13. При этом последовательная цепь из операционных усилителей 1 и 2 замыкается в кольцо обратной связи через интегратор 4 и резистор 23. В течение времени происходит коррекция погрешности пары операционного усилителя 2.

В момент времениФ на ключ 13 по«!!

Х дается "низкий. уровень и кольцо обрав.З5 ной связи разрывается. Напряжение коррекции сохраняется на последующее время на конденсаторе 19. !! «I!

В момент времени.Ь низкий уро3 вень подается на ключи 5 и 11, а

"высокий" — на ключ 9. При этом операционный усилитель 2 возвращается в режим с единичным коэффициентом усиления и к его входу подключается конденсатор 17. Вход операционного усилителя 1 подключается к клемме

"Промежуточные решения", на которую подано через ключ 25 напряженйе начального условия с источника 26.

В течение времени Ф = !! происходит

50 запись величины напряжения начального условия в конденсатор 17.

В момент времени б "низкий" уровень подается на ключ 7, при этом раэрыИ вается связь между операционными усилителями 1 и 2.

В момент времени .Ь "высокий" уровень подается на ключи 5,8 и 12, 44 6 а "низкий" уровень подается на ключи

6,10 и 15. При этом происходит объединение в пару входного усилителя ) и выходного усилителя 3, а выход операционного усилителя 2 соединяется с клеммой "Выход". Напряжение начального условия начинает транслироваться в точку Ц, „(при к=0)резистивной сетки 24. Далее происходит коррекция йары операционных усилителей 1 и 3 с помощью интегратора 4 идентично с предыдущей парой. Начиная с Ьь до Ь происходит запись на конденсатор 18 напряжения U (приК +1 =1) с клеммы "Вход".

Момент Времени fg идентичен моменту времени и за исключением наличия "низкого" уровня на ключ 6, что влечет запись на конденсатор 17 с клеммы "Вход" очередного решения

Оп „ (при к+1=2), полученного по

Ф транслируемому в сетку 24 напряжению с выхода операционного усилителя 3.

Повторение в необходимом количестве этого цикла позволяет получить все к решений для данной пространственной координаты и.

В момент времени t9 .,возникает необходимость точку с пространственной координатой и сделать граничной.

С этой целью подается высокий ypott II вень на ключи 6 и 16, при этом на вход операционного усилителя 1 подключается клемма "Промежуточные решения", на которую подается через ключ

29 напряжение граничного условия из источника 28, а клемма "Выход" соединяется с клеммой "Вход". В остальном схема продолжает функционировать как в режиме нахождейия решений.

В результате, в период времени

Ь9-t,пока. точка с координатой и резистивной сетки 24 является граничной, туда из решающего узла пос!гоянно транслируется напряжение, равное по величине. напряжению на источнике

28.

7 84924

ОЗУ аналоговая информация подается только на конденсатор 17 усилителя

2 и постоянно транслируется на клемму "Выход". Полученное на реэистивной сетке 24 напряжение нового решения поступает на клемму "Выход", откуда оно подается только на конденсатор 18 усилителя 3 и постоянно транслируется на клемму "Дополнительный выход". С этой клеммы через 1О ключ решения вновь заносится в ОЗУ.

Благодаря высокоомному входу решающий узел имеет практически полную гальваническую развязку с резистивной сеткой и не вносит искажений в фор- 15 мирование сеткой аналоговой величины.

Наличие входного усилителя позволяет широко варьировать номинальные величины составляющих сетку резисторов, при этом время записи результата 20 вычислений из сетки в решающий узел остается неизменным или может быть.независимо изменено.

После записи результата на конденсатор памяти происходит только одно 25, отключение конденсатора от выхода входного операционного усилителя;Подключение конденсатора к входу выходного усилителя осуществляется в решающем узле заблаговременно. Сведение 30 к минимуму коммутационных переключений,искажающих аналоговую величину, приводит к дополнительному повышению точности.

В схеме решающего узла усилители искажают аналоговую величину сигнала за счет наличия у них смещения нуля и дрейфа его величины во времени.

Для организации коррекции используется особенность работы двух выходных операционных усилителей, по.очередная запись напряжения в их конденсаторы памяти из сетки и поочередная 1в противоположной фазе) трансляция ими этого напряжения на 45 резистивную сетку. Например, если второй выходной усилитель транслирует напряжение в сетку, вход третьего соединяется с выходом первого вход- ного усилителя. Цепь из первого и третьего усилителей замыкается на время коррекции в кольцо отрицательной обратной связи интегратором. Сигнал напряжения с выхода интегратора постоянно подается на управляемый резис-55 тор, который включен в цепь коррекции нуля входного операционного усилителя.

Так как в это время первый усилитель

4 8 заземляется по входу, а третий переводится в режим усилителя с к=1000, происходит автоматическая отстройка суммарного смещения нуля у этой пары усилителей.

Выработанное напряжение коррекции нуля запоминается в интеграторе и после разрыва цепи обратной связи.

Через откорректированную пару происходит вначале запись напряжения из резистивной сетки на конденсатор, а затем после отключения .входного БУ трансляция этого напряжения в сетку.

При этом входной операционный усилитель образует новую корректируемую пару с вторым выходным усилителем и все процессы в новой паре аналогично повторяются.

В решающем узле выход промежуточI ных решений несет совмещенную функцию. Коммутацией ключей схема переводится в режим задания граничных условий. В результате на входе в,нужный момент времени можно задавать напряжение, соответствующее по величине граничному условию. Возможностью такой коммутации обладает каждый решающий узел резистивной сетки, что позволяет автоматически изменить масштаб в процессе аналогового вычисления.

Изобретение позволяет при минимуме дополнительных аппаратурных затрат достигнуть значительного увеличения точности.

Формула изобретения

Аналоговый решающий узел, содержащий первый операционный усилитель первый и второй запоминающие конденсаторы, резистор, первый, второй и третий ключи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены ключи,два операционных усилителя, управляемый резистор, интегратор и . масштабирующие резисторы, причем неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с переключающим контактом первого ключа, замыкающий контакт которого соединен с шиной нулевого потенциала, размыкающий контакт первого ключа подключен к переключающему контакту второго ключа> замыкающий контакт которого. соединен с входом узла, размыкающий контакт которого соединен с входом

9 8492 узла, размыкающий контакт второго ключа подключен к выходу.промежуточных решений, выход первого операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и через замыкающие контакты третьего и четвертого ключей соответственно с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, неинвертирующий fQ вход второго операционного усилителя через замыкающий контакт пятого ключа подключен к первой обкладке первого запоминающего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с шиной 13 нулевого потенциала, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя через замыкающий контакт шестого ключа подключен к первой обкладке второго запоминающего конденсатора, gp вторая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к переключающему контакту седьмого ключа, замыкающий 2З контакт которого соединен с замыкающим контактом восьмого ключа и первым выводом резистора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, инвертирующий . 30 вход третьего операционного усилите-. ля соединен с переключающим контактом восьмого ключа, размыкающий контакт которого подключен к выходу третьего операционного усилителя, за- 35

44 10 мыкающему контакту девятого ключа, и через замыкающий контакт десятого ключа подключен к входу интегратора, вход которого через замыкающий контакт одиннадцатого ключа подключен к раэмыкающему контакту седьмого ключа, выходу второго операционного усилителя и размыкающему контакту девятого ключа, переключающий контакт которого соединен с выходом узла и через замыкающий контакт двенадцатого ключа соединен с входом узла, входной и выходной вывод управляемого резистора включены в цепь коррекции погрешностей смещения нуля первого операционного усилителя, управляемый вывод управляемого резистора подключен к выходу интегратора, дополнительный выход узла соединен с выходом третьего операционного усилителя, выходы второго и третьего операционных усилителей через соответствующие масштабирующие резисторы соединены с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 444212, кл. G 06 G 7/40, 1978.

2. Аналоговое моделирование задач теплопроводности с помощью электрической резистивной цепи и аналоговой памяти, -Меж.Fde Епд.Kuoto Univ, 1977, 39, В 11-15 (прототип).

849244

Составитель Л, Терехов

Редактор Г. Кацалап Техред А. Савка Корректор С. Корниенко

Закаэ 6096 65 Тираж 745 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР пб делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. . Проектная, 4