Устройство для ввода информации

Изобретение относится к вычислительной технике для соединения аналоговых систем с цифровыми вычислительными машинами. Техническим результатом является сокращение избыточности информации с сохранением точности восстановления. Устройство содержит аналоговый ключ коммутаторы нижнего и верхнего уровней, схемы сдвига уровней, генератор ступенчатого напряжения, элемент ИЛИ, генератор импульсов, RS-триггер, счетчик и элементы И первой и второй групп, связанные с выходами устройства. В устройство введены одновибратор и четыре формирователя, в результате чего сокращается число отсчетов, интервал времени между которыми меньше времени релаксации одновибратора. 3 ил.

 

Изобретение относится к обработке цифровых данных с помощью электронных устройств, а именно к вычислительной технике, и может быть использовано для сопряжения аналоговых систем измерения, контроля и управления с цифровыми вычислительными машинами.

Известны устройства для ввода информации (авторские свидетельства СССР №№1083177, 1151946, кл. G 06 F 3/05), содержащие амплитудные дискриминаторы, логические элементы И, ИЛИ, триггеры и счетчики.

Недостатком указанных устройств является их сложность вследствие того, что количество амплитудных дискриминаторов в них равно числу уровней квантования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является "Устройство для ввода информации" (Авторское свидетельство СССР №1305695, кл. G 06 F 13/00, 1987).

Устройство содержит управляемый генератор импульсов, счетчик, элементы И, элемент ИЛИ, элемент задержки, аналоговый ключ, блок компараторов, формирователь команд управления, входы управляемого генератора импульсов являются управляющими входами устройства, тактовый выход управляемого генератора импульсов соединен с счетным входом счетчика, выходы которого подключены к первым входам группы элементов И, выходы которых являются первой группой информационных выходов устройства. Выход элемента ИЛИ соединен со вторыми входами элементов И и через элемент задержки с входом сброса счетчика, информационный вход аналогового ключа является информационным входом устройства, а управляющий вход соединен с установочным выходом управляемого генератора импульсов, выход аналогового ключа соединен с входом блока компараторов, выходы которого подключены к входам формирователя команд управления. Устройство также содержит генератор ступенчатого напряжения, блоки задания начальных смещений напряжения, первый и второй входы генератора ступенчатого напряжения соединены с соответствующими выходами формирователя команд управления и входами элемента ИЛИ, выход генератора ступенчатого напряжения соединен с входами блоков задания начальных смещений, выходы которых соединены с группой входов блока компараторов, группа выходов генератора ступенчатого напряжения является второй группой информационных выходов устройства.

Формирователь команд управления содержит два элемента НЕ и два RS-триггера, выходы триггеров являются соответственно первым и вторым выходами формирователя, выход первого и второго элементов НЕ соединены с входами установки в "0" соответственно первого и второго триггеров, вход первого элемента НЕ и вход установки в "1" второго триггера объединены, вход установки в "1" первого триггера, входы элементов НЕ являются входами формирователя.

Устройство отличается достаточной простотой из-за использования трех амплитудных дискриминаторов. Однако недостатком его является большая избыточность региструемой информации, так как отчеты амплитуды по времени на участках с быстрым нарастанием фронта входного напряжения отстоят друг от друга на расстояниях меньших, чем это требуется по теореме Котельникова гарантирующих требуемую точность восстановления исходного сигнала.

Целью заявляемого изобретения является сокращение объемов регистрируемой информации с сохранением точности воспроизведения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для ввода информации, содержащее аналоговый ключ 2, вход которого является информационным входом устройства 1, а выход соединен с входами компараторов нижнего 3 и верхнего 4 уровней, вторые входы которых через схемы сдвига уровней 9, 10 подсоединены к выходу генератора ступенчатого напряжения 8, суммирующий и вычитающий входы которого соединены с входами элемента ИЛИ 13, генератор импульсов 14, выход которого подключен к первому входу элемента И 15, второй вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера 16, а выход подсоединен к счетному входу счетчика 17, разрядные выходы которого соединены с первыми входами элементов И второй группы 18, выходы которых являются вторыми выходами устройства 19, при этом выход элемента задержки 23 соединен с установочным входом счетчика 17, введены четыре формирователя 6, 7, 21 и 22, одновибратор 20 и элементы И11 первой группы, первые входы которых подключены к информационным выходам генератора ступенчатого напряжения 8, и выходы являются первым выходом устройства 12, причем вторые входы элементов И11 подсоединены к выходу формирователя 21 и к входу элемента задержки 23, выход которого соединен также с входом S установки в единицу RS-триггера 16, вход R установки в "0" которого подсоединен к выходу формирователя 22 и к вторым входам элементов И 18 второй группы, выходы которых являются вторым выходом устройства 19, выход компаратора верхнего уровня 4 соединен через формирователь 7 с суммирующим входом генератора ступенчатого напряжения 8, вычитающий вход которого соединен с выходом формирователя 6, соединенного своим входом через инвертор 5 с выходом компаратора 3 нижнего уровня, при этом выход элемента ИЛИ 13 подключен к входу одновибратора 20, выход которого соединен с входами формирователей 21 и 22.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для ввода информации, на фиг.2 и фиг.3 - временные диаграммы, поясняющего его работу.

Устройство для ввода информации работает следующим образом.

В исходном состоянии аналоговый ключ 2 открыт, RS-триггер 16 и счетчик 17 обнулены, на выходе генератора ступенчатого напряжения уровень напряжения равен нулю, так что на втором входе компаратора 3 нулевой потенциал, а на втором входе компаратора 4 потенциал определяется числом прямо смещенных диодов в схеме сдвига уровня 9.

Предположим, что входное напряжение на входе 1 нарастает от нуля. Как только это напряжение превысит уровень потенциала второго входа компаратора 4, на его выходе появится высокий потенциал. После (диаграмма фиг.2а) прохождения формирователя 7, который представляет собой схему выделения переднего фронта (диаграмма фиг.1б - U₆), появившийся короткий импульс запустит одновибратор 20 через элемент ИЛИ 13. Одновременно с этим этот импульс поступит на суммирующий вход генератора ступенчатого напряжения 8. Потенциал на выходе генератора 8 поднимется на одну ступень, так что на выходе схем сдвига уровня 9 и 10 появится разность потенциалов U₂-U₁=ΔU, при этом напряжение U₁ окажется приложенным к второму входу компаратора нижнего уровня 3, а напряжение U₂ - к второму входу компаратора верхнего уровня 3, таким образом, что уровень входного напряжения окажется в пределах уровня квантования ΔU=U₂-U₁. При дальнейшем росте входного напряжения оно достигнет уровня U₂, вследствие чего на выходе компаратора верхнего уровня вновь появится высокий потенциал, который через формирователь 7 попадет на суммирующий вход генератора ступенчатого напряжения 8, вследствие чего потенциал на его выходе повысится на одну ступень и так далее. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока будет наблюдаться рост входного напряжения, так что на вторых входах компараторов 3 и 4 будут наблюдаться потенциалы U_i, U_i+1, отличающиеся всегда на величину ΔU=U_i+1-U_i (фиг.2а). Как только входное напряжение достигнет максимума и начнет понижаться, то при пересечении уровня компаратора нижнего уровня 3 на его выходе появится низкий потенциал, который через инвертор 5 и формирователь 6 (представляющие собой схему выделения заднего фронта, U7 на фиг.2б) попадет на вычитающий вход генератора ступенчатого напряжения 8, вследствие чего потенциал на его выходе понизится на одну ступень. Процесс будет повторяться в той же последовательности, пока входное напряжение будет уменьшаться.

На диаграмме фиг.2а приведена диаграмма напряжения на выходе генератора ступенчатого напряжения.

При поступлении переднего фронта импульса с выхода формирователя 7 и элемента ИЛИ 13 на вход одновибратора 20, последний срабатывает и на его выходе появляется высокий потенциал (диаграмма U₂₀ на фиг.2). Время его нахождения в периоде релаксации определяется его параметрами τ_ρ=τ_н,то есть длительность импульса на его выходе определяет период времени, в течение которого он не чувствителен к входным импульсам. По окончании периода релаксации на выходе одновибратора 20 напряжение возвращается в "0". На выходе формирователя 21, который представляет собой схему выделения заднего фронта, появляется положительный импульс, который поступает на вторые входы элементов И11 первой группы, и потенциалы с информационных выходов генератора ступенчатого напряжения 8 поступают на первый выход устройства 12, формируя двоичный код амплитуды. Одновременно с этим положительный импульс с выхода формирователя 21 поступает через элемент задержки 23 на установочный вход 12 счетчика 17 и на вход S-установки в "1" RS-триггера 16, который переходит во второе устойчивое состояние, при этом на его прямом выходе появляется высокий потенциал, который открывает элемент И 15. Импульсы генератора 14 начинают поступать на счетный вход счетчика 17, заполняя его. При приходе очередного импульса с выхода элемента ИЛИ 13 одновибратор 20 срабатывает, и на его выходе появляется высокий потенциал, который через формирователь 22, являющийся схемой выделения переднего фронта, переводит RS-триггер по входу R в исходное состояние. Элемент И15 закрывается, прекращая подачу импульсов на счетный вход С счетчика 17. Одновременно этот импульс с выхода формирователя 22 попадает на вторые входы элементов И 18 второй группы, и высокие потенциалы с разрядных выходов счетчика 17 попадают на выход устройства 19, формируя двоичный код времени.

Положительный эффект от реализации предлагаемого устройства для ввода информации иллюстрируется диаграммой на фиг.3.

В устройстве реализуется двухкоординатный способ измерения величины отсчета амплитуды и времени.

Величина напряжения отсчитывается в момент возврата одновибратора 20 в исходное состояние (по заднему фронту). В этот момент времени открываются элементы И11 первой группы, и напряжение с разрядных выходов реверсивного счетчика и генератора ступенчатого напряжения 8 поступает на выход 12, формируя код амплитуды. Импульсы, поступающие с выхода компаратора 4 (при обратном ходе процесса - компаратора 3) через блок формирования 7 (6) и элемент ИЛИ13 в период релаксации одновибратора 20 на его вход, будут поглощаться, не вызывая его срабатывания. Для сигналов с ограниченным спектром время релаксации выбирается равным где ΔF_C - верхняя граничная частота спектра сигнала, что гарантирует наивысшую точность восстановления. На пологих участках входного сигнала время пересечения двух смежных уровней U_i и U_i+1 может значительно превышать τ_ρ. В этом случае запускается механизм управления, при котором задним фронтом одновибратора 20 (схема выделения заднего фронта 21) опрокидывается RS-триггер 16, который открывает элемент И15, и импульсы с генератора 14 заполняют счетчик 17. Этот процесс продолжается до очередного срабатывания компаратора 4.

Передний фронт сработавшего одновибратора 20 (с выхода формирователя 22) вернет триггер 16 в исходное состояние. Одновременно с этим содержание счетчика 17 через элементы И17 второй группы появится на втором выходе устройства 19, формируя двоичный код времени. Время между двумя последовательными срабатываниями компаратора составит величину

где F₂ - частота следования импульсов генератора 14,

n - число импульсов, накопленных в счетчике 17 за время между двумя срабатываниями компараторов.

Таким образом, двоичное выражение числа n регистрируется на втором выходе устройства 19.

Устройство для ввода информации, содержащее аналоговый ключ, открытый в исходном состоянии, вход которого является информационным входом устройства, а выход соединен с входами компараторов нижнего и верхнего уровней, к вторым входам которых через схемы сдвига уровней подсоединен выход генератора ступенчатого напряжения, суммирующий и вычитающий входы которого соединены с входами элемента ИЛИ, генератор импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера, а выход подключен к счетному входу счетчика, разрядные выходы которого соединены с первыми входами элементов И второй группы, выходы которых являются вторыми выходами устройства, при этом выход элемента задержки соединен с установочным входом счетчика, отличающееся тем, что в него введены первый и третий формирователи выделения заднего фронта импульса, второй и четвертый формирователи выделения переднего фронта импульса, одновибратор и элементы И первой группы, первые входы которых подключены к разрядным информационным выходам генератора ступенчатого напряжения, а выходы являются первыми выходами устройства, выход компаратора верхнего уровня через первый формирователь подключен к одному входу элемента ИЛИ, к другому входу которого через инвертор и второй формирователь подключен выход компаратора нижнего уровня, выход элемента ИЛИ подключен к входу одновибратора, соединенного своим выходом с входами третьего и четвертого формирователей, при этом выход третьего формирователя соединен со вторыми входами элементов И первой группы и входом элемента задержки, а выход четвертого формирователя подключен к вторым входам элементов И второй группы и к R-входу установки в ноль RS-триггера, S-вход установки в единицу которого соединен с выходом элемента задержки.