Устройство для функционального преобразования шим-сигналов

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для вычисления функций при задании аргумента в широтно-импульсной форме. Техническим результатом является повышение точности устройства при упрощении его структуры. Устройство содержит два преобразователя код-частота, два реверсивных счетчика, три элемента И, регистр. 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для вычисления функций при задании аргумента в широтно-импульсной форме.

Известно устройство для воспроизведения функций на основе метода сквозной аппроксимации [1]. Это устройство ориентировано на обработку входного ШИМ-сигнала в следящем режиме, обладает высокой помехоустойчивостью за счет применения принципа усреднения импульсных потоков.

Устройство [1] содержит три реверсивных счетчика импульсов, четыре преобразователя код-частота, два сумматора-вычитателя кодов, два элемента И, элемент НЕ.

Недостатком устройства [1] являются его сложность, обусловленная наличием сумматоров-вычитателей кодов, и значительная методическая погрешность, определяемая аппроксимирующим выражением.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов [2], которое и выбрано в качестве прототипа. По сравнению с устройством [1] прототип при реализации функционального преобразования ШИМ-сигналов по закону корня квадратного имеет меньшую методическую погрешность и является более простым устройством.

В состав прототипа входят первый и второй преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, первый, второй и третий элементы И, причем вход аргумента устройства соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика, тактовый вход первого преобразователя код-частота соединен с входом опорной частоты устройства, а выход - со вторым входом первого элемента И. Кроме того, прототип содержит третий и четвертый преобразователи код-частота, первый и второй сумматоры-вычитатели, элемент НЕ, первый и второй элементы ИЛИ, причем вход аргумента устройства соединен со входом элемента НЕ и с первым входом третьего элемента И, разрядные выходы первого реверсивного счетчика соединены соответственно с информационными входами второго преобразователя код-частота и с вычитающими входами первого сумматора-вычитателя, разрядные выходы которого соединены соответственно с информационными входами первого преобразователя код-частота, тактовые входы второго и третьего преобразователей код-частота соединены соответственно с входами второй и третьей опорных частот устройства, а их выходы - соответственно с входами вычитания первого и второго реверсивных счетчиков и с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого является выходом устройства. Выход четвертого преобразователя код-частота соединен с входом сложения второго реверсивного счетчика, разрядные выходы которого соединены соответственно с информационными входами третьего преобразователя код-частота и с вычитающими входами второго сумматора-вычитателя, суммирующий вход которого соединен с аналогичным входом первого сумматора-вычитателя и с входом кода масштаба устройства, а его входы четвертой и пятой опорных частот соединены со вторыми входами соответственно второго и третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, подключенного выходом к тактовому входу четвертого преобразователя код-частота, информационные входы которого соединены соответственно с разрядными выходами второго сумматора-вычитателя, а выход элемента НЕ соединен с первым входом второго элемента И.

Прототип [2] реализует функциональное преобразование относительной длительности широтно-импульсного сигнала в среднее значение частоты импульсной последовательности по закону корня квадратного

где f₀₁, f₀₂, f₀₃, f₀₄, f₀₅ - импульсные последовательности опорных частот;

N - код масштаба;

Θ - относительная длительность широтно-импульсного сигнала;

n - разрядность преобразователей код-частота.

Полученная рациональная функция аппроксимирует функцию при х∈[0,1; 1,0] с погрешностью, не превышающей 0,02%.

Недостатком прототипа [2] является наличие методической погрешности аппроксимации, сложность и большое количество зависимых коэффициентов аппроксимации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности преобразования за счет устранения методической погрешности функционального преобразования относительной длительности широтно-импульсных сигналов по закону корня квадратного.

Техническим результатом является повышение точности устройства при упрощении его структуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов, содержащее первый и второй преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, первый, второй и третий элементы И, причем вход аргумента устройства соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика, тактовый вход первого преобразователя код-частота соединен с входом опорной частоты устройства, а выход - с вторым входом первого элемента И, введен регистр, разрядные выходы которого соединены с информационными входами второго преобразователя код-частота, а информационные входы первого преобразователя код-частота соединены с входом кода масштаба устройства, в котором второй реверсивный счетчик выполнен с возможностью параллельной загрузки начального значения, причем разрядные входы параллельной загрузки соединены с соответствующими входами регистра и выходами первого реверсивного счетчика, а прямой динамический вход загрузки - с прямым динамическим входом записи регистра и с входом аргумента, вход вычитания второго реверсивного счетчика соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого подключен к входу опорной частоты устройства и тактовому входу второго преобразователя код-частота, выход которого, являющийся выходом устройства, подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с входом вычитания первого реверсивного счетчика, а второй вход - с выходом флага обнуления второго реверсивного счетчика и со вторым входом третьего элемента И.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании устройства для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов с реализацией итерационного метода выполнения оператора усреднения за счет использования функциональной запоминающей обратной связи, реализующей преобразование зафиксированного в ней кода в широтно-импульсный сигнал и импульсный поток, с модуляцией этого потока полученным сигналом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого преобразователя, на фиг.2 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве.

Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов содержит первый и второй преобразователи код-частота 1 и 2, первый и второй реверсивные счетчики 3 и 4, первый, второй и третий элементы И 5, 6, 7 и регистр 8, причем вход 9 аргумента устройства соединен с первым входом первого элемента И 5, выход которого соединен с входом сложения первого реверсивного счетчика 3, тактовый вход первого преобразователя код-частота 1 соединен с входом 10 опорной частоты устройства, а выход - со вторым входом первого элемента И 5, разрядные выходы регистра 8 соединены с информационными входами второго преобразователя код-частота 2, а информационные входы первого преобразователя код-частота 1 соединены с входом 11 кода масштаба устройства, в котором второй реверсивный счетчик 4 выполнен с возможностью параллельной загрузки начального значения, причем разрядные входы параллельной загрузки соединены с соответствующими входами регистра 8 и выходами первого реверсивного счетчика 3, а прямой динамический вход загрузки - с прямым динамическим входом записи регистра 8 и с входом 9 аргумента, вход вычитания второго реверсивного счетчика 4 соединен с выходом третьего элемента И 7, первый вход которого подключен к входу 10 опорной частоты устройства и тактовому входу второго преобразователя код-частота 2, выход которого, являющийся выходом 12 устройства, подключен к первому входу второго элемента И 6, выход которого соединен с входом вычитания первого реверсивного счетчика 3, а второй вход - с выходом флага обнуления второго реверсивного счетчика 4 и со вторым входом третьего элемента И 7.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени реверсивные счетчики 3, 4 и регистр 8 находятся в нулевом состоянии. На вход 11 подается код масштаба N, на вход 10 - импульсная последовательность опорной частоты f₀, на вход 9 - широтно-импульсный сигнал (ШИМ-сигнал) с относительной длительностью Θ (диаграммы f₀ и Θ, фиг.2). Преобразователи код-частота 1, 2 осуществляют линейное преобразование кода в частоту, то есть вырабатывают импульсные последовательности с частотами, средние значения которых пропорциональны соответствующим управляющим кодам (диаграммы F_D/f1 и F_D/f2, фиг.2).

Появление на входе 9 устройства первого же широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ обеспечивает запись нулевого кода с выхода реверсивного счетчика 3 в регистр 8 и во второй реверсивный счетчик 4. Нулевой код на входе преобразователя код-частота 2 обуславливает отсутствие импульсов на его выходе. Удержание единичного значения широтно-импульсного сигнала обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 5 на вход сложения реверсивного счетчика 3, что приводит к изменению его состояния (диаграмма СТ₃, фиг.2). По окончании действия широтно-импульсного сигнала прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 5 блокируется, и в таком состоянии устройство находится до поступления по информационному входу 11 устройства следующего импульса.

Появление на информационном входе 9 устройства следующего широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ обеспечивает запись ненулевого кода с выхода реверсивного счетчика 3 в регистр 8 и во второй реверсивный счетчик 4 (диаграммы RG₈, CT₄, фиг.2). Ненулевой код на входе преобразователя 2 код-частота обуславливает появление импульсной последовательности на его выходе. Удержание единичного значения широтно-импульсного сигнала обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 5 на вход сложения реверсивного счетчика 3, что приводит к изменению его состояния. Удержание единичного значения на выходе флага обнуления второго счетчика 4 обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода второго преобразователя код-частота 2 через элемент И 6 на вход вычитания реверсивного счетчика 3, что приводит к изменению его состояния (диаграммы СТ₃, фиг.2). Удержание единичного значения на выходе флага нулевого состояния второго счетчика 4 обеспечивает также поступление импульсов опорной частоты на вход вычитания счетчика 4 через элемент И 7, что приводит к уменьшению его кода (диаграмма CT₄, фиг.2).

По окончании действия широтно-импульсного сигнала прохождение импульсной последовательности с выхода первого преобразователя код-частота 1 через элемент И 5 блокируется. Блокировка импульсной последовательности с выхода второго преобразователя код-частота 2 через элемент И 6 происходит в тот момент, когда состояние второго реверсивного счетчика 4 станет нулевым (диаграмма Z_СT4, фиг.2), и выработается сигнал флага обнуления. Этот сигнал заблокирует также поступление импульсов опорной частоты на вход вычитания реверсивного счетчика 4 через элемент И 7. В таком состоянии устройство находится до поступления следующего импульса по информационному входу 9.

С появлением на информационном входе 9 устройства следующего широтно-импульсного сигнала с относительной длительностью Θ процесс работы устройства повторяется.

В основу работы устройства для функционального преобразования ШИМ-сигналов положен итерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы, реализующей выработку и автоматическую компенсацию сигналов рассогласования с формированием квадратичной зависимости в контуре запоминающей обратной связи, благодаря чему получаемый результат обратной функции соответствует закону корня квадратного.

Условием динамического равновесия устройства является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей реверсивного счетчика в течение периода следования широтно-импульсных сигналов аргумента, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующий и вычитающий входы счетчика.

Условием динамического равновесия реверсивного счетчика 3 с учетом функциональных характеристик преобразователей 1 и 2 является выражение

где N_RG - выходной код регистра 8;

Θ_ст4 - относительная длительность ШИМ-сигнала, вырабатываемого на выходе флага нулевого состояния счетчика 4.

При принятом соотношении периода входного ШИМ-сигнала T=2ⁿ/f₀ значение Θ_CT4 определяется как

Из выражения (1) с учетом (2) имеем

или

С учетом функциональной характеристики преобразования код-частота на выходе преобразователя 2 сформируется импульсный поток со средней частотой

откуда средняя частота на выходе 12 устройства будет определяться как

где

Таким образом, функциональная характеристика заявляемого устройства, выполняющего преобразования относительной длительности широтно-импульсного сигнала в среднее значение частоты импульсной последовательности по закону корня квадратного, соответствует функциональной характеристике прототипа. При этом устройство не обладает методической погрешностью и является более простым устройством, чем прототип.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №560233, “Устройство для воспроизведения функций”/И.В. Герасимов, Н.М.Сафьянников. - Опубл. 1977, Бюл. №20, MKИ G 06 F 15/34.

2. Авторское свидетельство №1211749, “Устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов” / В.Б.Смолов, Е.П.Угрюмов, И.В.Герасимов и др. - Опубл. 1986, Бюл. №6. МКИ G 06 F 15/31.

Формула изобретения

Устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов, содержащее первый и второй преобразователи код-частота, первый и второй реверсивные счетчики, первый, второй и третий элементы И, причем вход аргумента устройства соединен с первым входом первого элемента И, выход которого соединен со входом сложения первого реверсивного счетчика, тактовый вход первого преобразователя код-частота соединен со входом опорной частоты устройства, а выход - со вторым входом первого элемента И, отличающееся тем, что в устройство введен регистр, разрядные выходы которого соединены с информационными входами второго преобразователя код-частота, а информационные входы первого преобразователя код-частота соединены со входом кода масштаба устройства, в котором второй реверсивный счетчик выполнен с возможностью параллельной загрузки начального значения, причем разрядные входы параллельной загрузки соединены с соответствующими входами регистра и выходами первого реверсивного счетчика, а прямой динамический вход загрузки - с прямым динамическим входом записи регистра и со входом аргумента, вход вычитания второго реверсивного счетчика соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого подключен ко входу опорной частоты устройства и тактовому входу второго преобразователя код-частота, выход которого, являющийся выходом устройства, подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен со входом вычитания первого реверсивного счетчика, а второй вход - с выходом флага обнуления второго реверсивного счетчика и со вторым входом третьего элемента И.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2