Спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення

Реферат: Винахід належить до галузей автоматики й обчислюваної техніки та може бути використаний також у пристроях інформаційно-вимірювальної техніки. Спосіб функціонального аналогоцифрового перетворення за методом логарифм-антилогарифм, в який вводять нові операції, зокрема поділяють логарифматори на дві групи, першу та другу з яких використовують відповідно для множення та ділення вхідних сигналів, і в часі формування дозованої кількості електрики вихід кожного логарифматора першої та другої групи почергово підключають відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника і задають значення частоти підключень F , що призводить до значного підвищення швидкодії перетворення і за рахунок цього забезпечується можливість виготовлення багатофункціональних аналогоцифрових перетворювачів підвищеної швидкодії, на основі яких можуть бути створені нові прецизійні прилади та системи, наприклад лічильники електроенергії, ватметри, обчислювальні засоби й інші. UA 114064 C2 (12) UA 114064 C2 UA 114064 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до галузей автоматики й обчислюваної техніки та може бути використаний також у пристроях інформаційно-вимірювальної техніки. Відомий спосіб функціонального перетворення за методом логарифм-антилогарифм, в якому вихідні сигнали логарифматорів алгебраїчно додаються, а результат перетворення визначають як антилогарифм отриманої алгебраїчної суми (в кн. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, рис. 10.5, с. 265). Недоліком цього способу є порівняно мала, не більша 3, кількість входів (вона рівна кількості логарифматорів). Це зумовлено тим, що при більшій кількості логарифматорів неможливо забезпечити ідентичність їх характеристик і внаслідок цього значно знижується точність перетворення. Найбільш близьким по технічній суті до запропонованого способу є спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення за методом логарифм-антилогарифм, в якому подають вхідні сигнали на N логарифматорів і порівнюють їх з компенсуючою напругою Uк , яку формують шляхом зміни заряду на нагромаджувальному конденсаторі, причому до початку перетворення нагромаджують заряд до одержання відповідної йому компенсуючої напруги Uк , рівної заданому рівню еталонної напруги Uо , змінюють цей заряд в процесі перетворення періодично повторюваними дозованими кількостями електрики до моменту переходу відповідної йому компенсуючої напруги Uк через рівень вхідного сигналу та визначають логарифм як числоімпульсний код, значення якого рівне кількості дозувань, додають і віднімають вихідні сигнали логарифматорів, а результат перетворення визначають як антилогарифм отриманої алгебраїчної суми (Мичуда З.Р., Дудикевич В.Б., Мичуда Л.З. Аналоговий багатофункціональний перетворювач: Патент 57054 Україна. - 2003, Бюл. № 6). Недолік цього способу - відносно великий час перетворення, оскільки при перетворенні алгебраїчне додавання вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів здійснюється в часі послідовно: t п  t л1  t л2  t л3  ...  t лN  t ап  t ал , де t л1, t л2 , t л3 ...t лN - час перетворення логарифматорів 1, 2, 3 … N; t ап - час обчислень арифметичного пристрою; 30 35 40 45 50 55 t ал - час перетворення антилогарифматора. Окрім того, недоліком цього способу є збільшення часу перетворення при реалізації функцій степеневої з показником n або кореня з показником m через необхідність відповідно множення на n або ділення на m частоти повторення імпульсів. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення, в якому введення нових операцій, зокрема поділ логарифматорів на дві групи, першу та другу з яких використовують відповідно для множення та ділення вхідних сигналів, і в часі формування дозованої кількості електрики вихід кожного логарифматора першої та другої групи почергово підключають відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника і задають значення частоти підключень F , забезпечує значне підвищення швидкодії перетворення і за рахунок цього появляється можливість виготовити багатофункціональні аналого-цифрові перетворювачі підвищеної швидкодії, на основі яких можуть бути створені нові прецизійні прилади та системи, наприклад лічильники електроенергії, ватметри, обчислювальні засоби й інші. Поставлена задача вирішується тим, що в способі функціонального аналого-цифрового перетворення за методом логарифм-антилогарифм, в якому подають вхідні сигнали на N логарифматорів і порівнюють їх з компенсуючою напругою Uк , яку формують шляхом зміни заряду на нагромаджувальному конденсаторі, причому до початку перетворення нагромаджують заряд до одержання відповідної йому компенсуючої напруги Uк , рівної заданому рівню еталонної напруги Uо , змінюють цей заряд в процесі перетворення періодично повторюваними дозованими кількостями електрики до моменту переходу відповідної йому компенсуючої напруги Uк через рівень вхідного сигналу та визначають логарифм як числоімпульсний код, значення якого рівне кількості дозувань, додають і віднімають вихідні сигнали логарифматорів, а результат перетворення визначають як антилогарифм отриманої алгебраїчної суми, поділяють логарифматори на дві групи, першу та другу з яких використовують відповідно для множення та ділення вхідних сигналів, і в часі формування дозованої кількості електрики вихід кожного логарифматора першої та другої групи почергово підключають відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника, причому значення частоти підключень F задають згідно з формулою 1 UA 114064 C2 N, tf де t f - тривалість часу формування дозованої кількості електрики. Поставлена задача вирішується також тим, що у вищезгаданому способі функціонального аналого-цифрового перетворення закорочують n входів логарифматорів першої групи, подають на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний Un . вх Поставлена задача вирішується також тим, що у вищезгаданому способі функціонального аналого-цифрового перетворення закорочують m входів логарифматорів другої групи, подають F 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний m Uвх . Використання нових операцій, зокрема те, що поділяють логарифматори на дві групи, першу та другу з яких використовують відповідно для множення та ділення вхідних сигналів, і в часі формування дозованої кількості електрики вихід кожного логарифматора першої та другої групи почергово підключають відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника, причому частоту підключень задають більшою від частоти повторення дозованих кількостей електрики у N разів, призводить до паралельного алгебраїчного додавання вихідних числоімпульсних кодів логарифматорів і тим самим значно збільшується швидкодія функціонального аналого-цифрового перетворення. Використання нових операцій, зокрема те, що закорочують n входів логарифматорів першої групи, подають на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний Un , вх призводить до паралельного алгебраїчного додавання вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів і тим самим значно збільшується швидкодія функціонального аналогоцифрового перетворення. Використання нових операцій, зокрема те, що закорочують m входів логарифматорів другої групи, подають на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний m Uвх , призводить до паралельного алгебраїчного додавання вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів і тим самим значно збільшується швидкодія функціонального аналогоцифрового перетворення. На фіг. 1 наведена схема функціонального аналого-цифрового перетворювача, що пояснює запропонований спосіб. Суть запропонованого у способу функціонального аналого-цифрового перетворення полягає у наступному. В часі формування дозованої кількості електрики в конденсаторній комірці вихідний сигнал її підводиться до об'єднаних входів всіх логарифматорів, що поділені на дві групи. У цей же час, тобто синхронно, на виходах всіх логарифматорів формуються елементи (імпульси) їх вихідних число-імпульсних кодів. Тому, підключаючи почергово в цьому інтервалі часу вихід кожного логарифматора першої та другої групи відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника, отримують на виході цього лічильника алгебраїчну суму елементів вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів. Після закінчення перетворення останнім логарифматором (ним буде логарифматор, до входу якого буде підведено найменший зі всіх вхідних сигналів) на виході реверсивного лічильника буде записана алгебраїчна сума вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів. Ця сума перетворюється цифровим антилогарифматором у вихідний код запропонованого функціонального перетворювача. Таким чином, алгебраїчне додавання вихідних число-імпульсних кодів логарифматорів відбувається поелементно паралельно і тим самим значно збільшується швидкодія функціонального перетворювача. Здійснюють функціональне перетворення вхідних сигналів за допомогою схеми (фіг. 1), що містить вхід запуску 1 перетворювача, блок 2 керування, джерело 3 опорної напруги, блок 4 логарифматорів, виходи яких з'єднані відповідно з інформаційними входами першого 5 і другого 6 комутаторів, входи керування яких підключені відповідно до виходів першого 7 і другого 8 лічильників, а виходи комутаторів підключені відповідно до входів додавання та віднімання лічильника 9, вихід якого підключений до інформаційного входу антилогарифматора 10, вихід якого є виходом 11 перетворювача, група інформаційних входів 12 якого об'єднана з відповідними інформаційними входами логарифматорів, причому блок 2 керування виконаний на одновібраторі 13, двох генераторах 14 і 15, формувачі 16 імпульсних послідовностей, елементі збігу 17, елементі АБО 18 і тригері 19, прямий і інверсний виходи якого підключені відповідно до об'єднаних V-входів лічильника 7, комутатора 5 і лічильника 8, комутатора 6, вихід 2 UA 114064 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 елемента збігу 17 підключений до об'єднаних тактових входів лічильників 7 і 8, виходи переносу яких підключені відповідно до першого та другого входів елемента АБО 18, вихід першого генератора 14 підключений до тактового С-входу формувача 16 імпульсних послідовностей, перший вихід якого підключений до першого входу елемента збігу 17, другий вхід якого підключений до виходу другого генератора 15, вхід запуску перетворювача об'єднаний з входом одновібратора 13, вихід якого підключений до входу установки S тригера 19 і об'єднаних входів скидання R лічильників 7, 8 і 9, антилогарифматора 10 і формувача 16 імпульсних послідовностей, а блок 4 логарифматорів виконаний на конденсаторній комірці 20, групі елементів збігу 21, групі компараторів 22, перші входи яких є інформаційними входами логарифматорів і виходи яких з'єднані з відповідними першими входами групи 21 елементів збігу, виходи яких є виходами логарифматорів, причому конденсаторна комірка 20 містить два конденсатори 23 і 24, три ключі 25, 26 і 27, аналоговим Uref -входом комірки є інформаційний вхід першого ключа 25, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом другого ключа 26 і через перший конденсатор 23 з'єднаний зі спільною шиною, тактовим С-входом комірки 20 є управляючий вхід другого ключа 26, вихід якого об'єднаний з інформаційним входом третього ключа 27 і через другий конденсатор 24 з'єднаний зі спільною шиною, входами запуску V і скидання R комірки 20 є відповідно управляючі входи першого 25 і третього 27 ключів, тактовий С-вхід і вхід скидання R комірки 20 з'єднані з відповідними виходами формувача 16 імпульсних послідовностей, вхід запуску V комірки 20 об'єднаний з виходом одновібратора 13, аналоговий Uref -вхід комірки 20 підключений до виходу джерела 3 опорної напруги, другі входи компараторів об'єднані з виходом комірки 20, тактовий С-вхід якої об'єднаний з другими входами групи 21 елементів збігу. Запропонований спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення реалізується за допомогою схеми фіг. 1 наступним чином. Імпульсом, що подається на вхід запуску 1 перетворювача, запускається одновібратор 13. Вихідний імпульс одновібратора 13 скидає в нуль виходи формувача 16 імпульсних послідовностей, лічильників 7, 8, 9 і антилогарифматора 10, установлює тригер 19 у стан логічної одиниці на прямому виході та замикає перший ключ 25 конденсаторної комірки 20. За час дії імпульса одновібратора 13 перший конденсатор 23 комірки заряджається до рівня опорної напруги ( Uref ) джерела 3 і на виходах компараторів групи 22 установлюється рівень логічної одиниці, який дозволяє проходження імпульсів з виходу Q2 формувача 16 імпульсних послідовностей через групу 21 елементів збігу (для підвищення точності імпульсні послідовності Q1 і Q2 відокремлені паузами). Після закінчення імпульса одновібратора 13 з кожним імпульсом першого генератора 14 на виходах формувача 16 почергово (спершу на виході Q1, а потім на Q2) появляються імпульси. Розглянемо спочатку процес логарифмування вхідних сигналів. Імпульси Q1 формувача 16 замикають третій ключ 27 конденсаторної комірки 20, скидаючи заряд з другого конденсатора 24 на спільну шину, і на конденсаторі 24 установлюється рівний нулю рівень напруги. Імпульси Q2 формувача 16 замикають другий ключ 26 конденсаторної комірки 20, через який відбувається перерозподіл заряду між конденсаторами 23 і 24. З кожним імпульсом Q2 перший конденсатор 23 віддає частину свого заряду другому конденсатору 24 і рівень напруги на першому конденсаторі 23 знижується. Після n-го імпульсу Q2 формувача 16 напруга на першому конденсаторі 23 стане рівною Un  nUref , а її приріст Un  n1(   1)Uref . Якщо в процесі зниження напруги на першому конденсаторі 23 вона стане рівною чи меншою, наприклад, напруги ( Uвх ) на і-тому інформаційному вході групи 12 інформаційних і входів перетворювача (а отже і на першому вході і-го компаратора групи 22), тоді спрацьовує і-й компаратор групи 22 (на його виході появляється рівень логічного нуля), фіксуючи момент закінчення перетворення і-тим логарифматором. Якщо цей момент настав після n-го тактуючого імпульсу, то Un  Uвх і і число ( ni ) імпульсів Q2 формувача 16, що надійшли на вхід управління другого ключа 26, буде рівне 3 UA 114064 C2 Uвх i 1 ,  ln ln  Uref тобто логарифму відношення напруги Uвх до Uref . i Це число імпульсів надходить через і-тий елемент збігу групи 21 елементів збігу на вихід останнього (тобто на вихід і-го логарифматора) і є вихідним число-імпульсним кодом і-го логарифматора. Після закінчення перетворення і-тим логарифматором логічний нуль з виходу і-го компаратора підводиться до першого входу і-го елемента збігу групи 21 елементів збігу, забороняючи подальше проходження імпульсів Q2 формувача 16 на вихід і-го логарифматора. Аналогічно відбувається перетворення і в інших логарифматорах, оскільки процес пониження напруги на першому конденсаторі 23 конденсаторної комірки 20 продовжується доти, поки не спрацює останній з компараторів групи 22, тобто поки не закінчиться перетворення в останньому логарифматорі (цим логарифматором буде той, до першого входу компаратора якого буде підведений найменший зі всіх вхідних сигналів). З кожним імпульсом Q2 формувача 16 дозволяється проходження імпульсів другого генератора 15 через елемент збігу 17 на тактові входи лічильників 7 і 8, вихідні коди яких почергово підключають виходи логарифматорів через комутатори 5 і 6 відповідно до входів додавання і віднімання лічильника 9. Отже, після закінчення перетворення в останньому логарифматорі на виході лічильника 9 буде записаний код p U  1  m Uld Nc     ln   ln lk  ,  ln   d1 Uref k 1 Uref   де d - кількість логарифматорів першої групи, що підключаються до входів додавання лічильника 9, причому d змінюється від 1 до m; k - кількість логарифматорів другої групи, що підключаються до входів віднімання лічильника 9, причому k змінюється від 1 до р. Вихідний код Nc лічильника 9 надходить на вхід цифрового антилогарифматора 10, на виході якого формується результат функціонального перетворення Nfp  anti ln Nc . Оскільки імпульси на виходах всіх логарифматорів, які здійснюють перетворення, появляються одночасно, то почергове підключення під час дії імпульсу Q2 формувача 16 виходу кожного логарифматора до відповідного входу лічильника 9 дає змогу в часі перетворення логарифматорів: 1) отримати алгебраїчну суму вихідних кодів логарифматорів і реалізувати операції множення та ділення; 2) отримати суму вихідних кодів логарифматорів, на n закорочених входів першої групи яких подано вхідний сигнал Uвх , і забезпечити реалізацію степеневої функції з показником n, тобто ni  5 10 15 20 25 30 35 Un ; вх 3) отримати різницю вихідних кодів логарифматорів, на m закорочених входів другої групи 40 яких подано вхідний сигнал Uвх , і забезпечити реалізацію кореня з показником m, тобто m Uвх . Все це значно зменшує час функціонального аналого-цифрового перетворення, тобто значно підвищує швидкодію. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 1. Спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення за методом логарифмантилогарифм, в якому подають вхідні сигнали на N логарифматорів і порівнюють їх з компенсуючою напругою Uk , яку формують шляхом зміни заряду на нагромаджувальному конденсаторі, причому до початку перетворення нагромаджують заряд до одержання відповідної йому компенсуючої напруги Uk , рівної заданому рівню еталонної напруги Uref , змінюють цей заряд в процесі перетворення періодично повторюваними дозованими кількостями електрики до моменту переходу відповідної йому компенсуючої напруги Uk через рівень вхідного сигналу Uвх і визначають логарифм як число-імпульсний код, значення якого рівне кількості дозувань, додають і віднімають вихідні сигнали логарифматорів, а результат перетворення визначають як антилогарифм отриманої алгебраїчної суми, який 4 UA 114064 C2 5 10 відрізняється тим, що поділяють логарифматори на дві групи, першу та другу з яких використовують відповідно для множення та ділення вхідних сигналів, і в часі формування дозованої кількості електрики вихід кожного логарифматора першої та другої групи почергово підключають відповідно до входу додавання та віднімання реверсивного лічильника, причому значення частоти підключень F задають згідно з формулою N F , tf де t f - тривалість часу формування дозованої кількості електрики. 2. Спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення за п. 1, який відрізняється тим, що закорочують n входів логарифматорів першої групи, подають на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний Un . вх 3. Спосіб функціонального аналого-цифрового перетворення за п. 1, який відрізняється тим, що закорочують m входів логарифматорів другої групи, подають на них вхідний сигнал Uвх і зчитують результат перетворення як рівний m Uвх . Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5