Аналого-цифровое множительное устройство

 

Союз Советскик

Социалистическик

Рвспублкк

O ll N C A H H E „, ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТННвСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 070180 (21) 2868209/18-24 (5 ) М с присоединением заявки Й9 (23) Приоритет

G 06 J 1/00

G 06 G 7/16

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 23.1181. Бюллетень N9 43

Дата опубликования описания 2 131 (53) УДН 681. 335 (088.8) (72) Авторы изобретения

В.В. Павлов и И.А. Дроздов

Ростовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет (71) Заявитель (54) АНАЛОГОЦИФРОВОЕ МНОЖИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области .вычислительной техники и может быть использовано для прецизионного перемножения аналоговых сигналов.

Известны устройства для перемножения аналоговых сигналов, содержащие следящий AIgI, состоящий иэ матрицы резисторов, компаратора, ключей, реверсивного счетчика, генератора тактовых импульсов и множительного .

ЦАПА 1).

Однако механическое увеличение числа разрядов автоматически приводит к уменьшению быстродействия АПП, а следовательно всего множительного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому объекту является аналого-цифровое множительное устройство, содержащее источники первого сомножителя, второго сомножите" ля и опорного сигнала, два цифро-управляемых резистора, операционный усилитель и цепь подбора цифровой информации t2).

Недостатком этого устройства является недостаточная точность выпол.нения операции умножения, а повышение точности множительного устройства путем увеличения числа разрядов не является перспективным, поскольку уменьшает быстродействие устройства вдвое на каждый дополнительный разряд.

Цель изобретения — повышение точности множительного .устройства без уменьшения быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в аналогоцифровое множительное устройство, содержащее источник первого сомножителя, источник второго сомножителя, источник опорного сигнала, реверсивный двоичный счетчик, последовательно соединенные первый

15 цифро-управляемый резистор, операционный усилитель и первый фипьтр нижних частот, выход которого является выходом устроиства, второй цифроуправляемый резистор, компаратор и ,сО генератор тактовых . импульсов, выход которого подключен к счетному входу реверсивного двоичного счетчика, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, а раэряд2 ные выходы реверсивного двоичного счетчика подключены к управляющим входам первого и второго цифро-управляемых резисторов, информационные входы которых подключены соответстЗО венно к выходам источника первого

883930 сомножителя и источника опорного сигнала, выход второго цифро-управляемого резистора подключен к первому входу компаратора, введены второй фильтр нижней частоты, дифференциальный усилитель, сумматор и генератор треугольных импульсов, причем вход второго фильтра нижней частоты подключен к выходу второго цифро-управляемого резистора, выход второго фильтра нижней частоты подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника второго сомножителя, а выход — к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника второго сомножителя, третий вход— к выходу генератора треугольных импульсов, а выход — ко второму входу компаратора.

На фиг. 1 приведена блок-схема аналогоцифрового множительного устройства; на фиг. 2 а,б,в — диаграммы, поясняющие работу устройства.

Аналогоцифровое множительное устройство содержит компаратор 1, цифро-управляемые резисторы (ЦУР) 2 и 3, реверсивный двоичный счетчик

4, генератор тактовых импульсов 5, фильтры нижних частот 6 и 7, сумматор 8 дифференциальный усилитель 9, генератор треугольных импульсов 10.

Операционный усилитель 11, выход цифро-управляемого резистора 2 подключен ко входу фильтра нижних частот 7 и первому входу компаратора

1. Устройство содержит также источники первого сомножителя 12, второго сомножителя 13 и опорного сигнала 14.

Информационный вход цифро-управляемого резистора 2 соединены с источником опорного сигнала Ч, а управляющие входы - с выходом реверсивного двоичного счетчика 4. Выход фильтра нижних частот 7 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 9, неинвертирующий вход которого соединен с источником одного из перемножаемых напряжений

Vg и вторым входом сумматора 8..Выход дифференциального усилителя 9 подключен к первому входу сумматора

8, третий вход которого соединен с выходом генератора треугольного напряжения 10. Выход сумматора 8 соедииен со вторым входом компаратора 1, выход которого подключен к управляющему входу реверсивного счетчика 4, к счетному входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов

5. Выход цифро-управляемого резистора соединен со входом операционного усилителя 11, выход которого соединен со входом фильтра нижних частот

6. Информационный вход цифро-управляемого резистора 3 соединен с источником второго из перемножаемых напряжений V, а управляющие входы с выходом двоичного реверсивного счетчика 4.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на вход компаратора 1 аналогового напряжения V происходит сравнение данного найряжения с напряжением V>, образующимся на выходе цифро-управляемого резистора 2 при суммировании двоично-взвешенных токов от источника опорного напряжения V< . Величина напряжения Vg находится в однозначном соответствии с положением аналоговых ключей цифроуправляемого резистора 2, а те, в

15 свою очередь, управляются двоичным кодом с выхода реверсивного счетчика

4, допустим, разность |Ч„1 - IVgl О, при этом на выходе компаратора 1 низкий потенциал, реверсивный счетчик

Щ 4 работает в режиме вычитания, напряжение уменьшается скачками, равными весу младшего двоичного разряда. При смене знака разности, т.е. при 1Ч„! - IVo! (О, компаратор 1,переключится в положение с высоким потен- циалом и счетчик переключится в режим слежения и будет находится в этом положении, пока IV ql. - Vol опять не поменяет знак.; Таким образом, следящий АЦП (образованный блоками 1, 2, 4 и 5) ЛЦП работает в режиме рысканья около точки настройки Vo (фиг. 2а) с частотой frig, где fq — частота тактовых импульсов. При этом эпюры напряжения на выходе ЦУР 2 будут иметь вид, изображенный на фиг. 2а.

При изменении входного напряжения V„ в пределах зоны нечувствительности

ЬЧ0, т.е. когда 1Ч„! - !Vol cgVo характер работы не изменяется, следова40 тельно не изменяется и Vz, что и определяет методическую погрешность преобразования. Как только IV IVI!I > Чц, следящий АЦП (блоки 1, 2, 4 и 5) начинает обрабатывать в сторону уменьшения )Ч 1! - 1Чв! до тех пор, пока )Ч.1! - IVql не станет Сд Vq u рысканье возобновится уже вокруг новой точки равновесия V (фиг. 2а).

Для уменьшения зоны нечувствительности в предлагаемом устройстве входной сигнал Ч„ суммируется в сумматоре

8 с треугольным напряжением с выхода генератора 10, полный размах этого напряжения равен зоне нечувствительночти Чз . Частота треугольного напряжения выбирается на порядок меньше, чем-частота рысканья, т.е. равной fy ffo . Допустим V находится в середине эоны нечувствйтельности

hV > при этом треугольное напряжение

60 не выходит иэ зоны (фиг. 2б), работа

АЦП в этом случае аналогична работе известного. При увеличении, например, напряжения V на величину ЬЧ, выходное напряжение сумматора 8 увеличится на дЧ . и треугольное напряжение

883930

20

Ф

Формула изобретения

50 бО поднимется (фиг. 26) и пересечет границу зоны нечувствительности, компаратор 1 в первый момент установится в состояние с логической 1 на выходе, реверсивный счетчик 4 перейдет в режим сложения и изменит свое состояние на единицу младшего разряда, это цифровое слово переключит ключи цифро-управляемого резистора 2 так, что на выходе напряжение скачком изменится до Н„ . Это напряжение переключит компаратор 1 в положение с логическим 0 на выходе, счетчик 4 отработает на вычитании на единицу младшего разряда и,таким образом, эту часть периода треугольного напряжения АЦП будет рыскать в более высокой зоне V, а остальную часть

1 периода — в нижней зоне V<.Напряжение с выхода цифро-управляемого ре.зистора 2 подается на фильтр нижних частот 7 и выделяется постоянная составляющая Нф . Эта постоянная состав ляющая сравнивается в дифференциальном усилителе 9 c âõoäíûì напряже-. нием V, а разность Нф-Н„ подается на вход сумматора 8. Причем знак этой разности выбирается таким образом, чтобы смещение треугольного напряжения происходило в сторону уменьшения этой разности. Фильтр нижних частот 7, дифференциальный усили- 30 тель и сумматор 8 образуют дополнительный следящий контур, уменьшающий погрешность от нестабильности — ис.пользуемых элементов и паразитных выбросов выходного напряжения.

На фиг. 23видно, что плавное иэменение входного напряжения приводит к появлению импульсов рысканья в одной зоне нечувствительности и к исчезновению их в другой, это, в свою очередь, приводит к изменению напряжения на выходе фильтра нижних чачаио Фт тот на величину „, (т. к; Ф-,дщ = — „) на каждый импульс, следовательно,дискретность преобразования повышается в 10 раэ, по сравнению с известной, а с ней и точность отслеживания эа входным сигналом. Поскольку управляющие входы ключей цифро-управляемых резисторов 2 и 3 подключены к одному и тому же цифровому выходу реверсивного счетчика 4, то на выходе цифро-управляемого резистора 3 характер изменения напряжения будет такой же как на выходе цифро-управляемого резистора 2. Однако поскольку . в качестве опорного напряжения цифроуправляемого резистора 3 используется второе из перемножаемых напряжений Н,, выходное напряжение на выходе фильтра нижних частот 11 будет также пропорционально и величине

Vq. Таким образом, на управляющие входы цифро-управляемого резистора

3 подается цифровое слово с выхода реверсивного двоичного счетчика, а на информационный вход подается второе иэ перемножаемых напряжений V, Это цифровое слово преобразуется в аналоговый сигнал V на выходе операционного усилителя 11, это выходное напряжение можно представить в вгике ьых="1(1" a t + +a„g ") где а „-а„- коэффициенты равны нулю, если у выходного двоичного слова в данном разряде нуль, и единице, если у входного двоичного слова в данном разряде единица. Вепичина, стоящая в скобках, прямо пропорциональна второму сомножителю V. с точностью до младшего разряда, поскольку цифровое слово, выраженное коэффициентами а„, а,....а получено в результате преобразования напряжения в двоичный код, следовательно (а„Г" а 2- +...а„1 ")=КЧ„ да 0 ы„= кН„Н1 .

Таким образом, можно сделать вывод, что суммирование входного напряжения с треугольным приводит к уменьшению шага дискретности АЦП, а следовательно и к повышению точности умножения аналоговых напряжений.

Аналогоцифровое множительное устройство, содержащее источник первого сомножителя, источник второго сомножителя, источник опорного сигнала, реверсивный двоичный счетчик, последовательно соединенные первый цифроуправляемый резистор, операционный усилитель и первый фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, второй цифро-управляемый резистор, компаратор и генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к счетному входу реверсивного двоичного счетчика, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, а разрядные выходы реверсивного двоичного счетчика подключены к управляющим входам первого и второго цифро-управляемых резисторов, информационные входы которых подключены соответственно к выходам источника первого сомножителя и источника опорного сигнала, выход второго цифро-управляемого резистора подключен к первому входу компаратора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности беэ уменьшения быстродействия, в устройство введены второй фильтр нижней частоты, дифференциальный усилитель, сумматор и генератор треугольных импульсов, причем вход второго фильтра нижней частоты подключен к выходу второго цифро-управляемого резистора, выход второго фильтра нижней частоты подключен к инвертирующему

883930

ВНИИПИ Закаэ 1024/75 Тираж 748 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 входу дифференциального усилителя, неиивертирующий вход которого подключен к выходу источника второго сомножителя, а выход — к первому входу сумматора, второй вход .которого подключен к выходу источника второго сомножителя, третий вход — к выходу генератора треугольных импульсов,а выход — ко второму входу компа- . ратора.

Источники информации, принятые во внимание пои экспертизе

1. Проектирование и применение операционных усилителей. Под ред.

Дж. Грэма и др. М., "Мир", 1974, с. 364"370..

2. Смолов В.Б. и др. Вычислительные машины непрерывного действия.

М ., "Высшая школа", 1964, с. 358361, рис. V t-23 (прототип) .