Аналого-цифровое множительное устройство

Союз Советскик Социалистическик РвспублккОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ИТННвСТВУ(22) Заявлено 070180 (21) 2868209/18-24 (51) М КЛ с присоединением заявки Йо(23) Приоритет С 06 1 1/00 6 06 С 7/16 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В.В. Павлов и И.А. Дроздов Ростовский ордена Трудового Красного Знамени государственныйуниверситет(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 АЦП, состоящий иэ матрицы резисторов, компаратора, ключей, реверсивного счетчика, генератора тактовых импульсов и множительного;ЦАПА Г 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 2.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 20 генератор тактовых . импульсов, выход которого подключен к счетному входу реверсивного двоичного счетчика, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, а раэряд ные выходы реверсивного двоичногосчетчика подключены к управляющим входам первого и второго цифро-управляемых резисторов, информационные входы которых подключены соответст- ЗО венно к выходам источника первогосомножителя и источника опорного сигнала, выход второго цифро-управляемого резистора подключен к первому входу компаратора, введены второйфильтр 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 кинвертирующему входу дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника второго сомножителя, а выход - кпервому входу сумматора, второй входкоторого 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, ауправляющие входы - с выходом реверсивного двоичного счетчика 4. Выход фильтра нижних частот 7 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 9, неинвертирующийвход которого соединен с источником одного из перемножаемых напряжений Ч 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 Ч,1, а управляющие входыс выходом двоичного реверсивногосчетчика 4.Устройство работает следующим образом.При подаче на вход компаратора 1аналогового напряжения Чпроисходит сравнение данного найряжения снапряжением ЧО, образующимся на выходе цифро-управляемого резистора 2при суммировании двоично-взвешенныхтоков от источника опорного напряжения Ч,. Величина напряжения ЧО находится в однозначном соответствии сположением аналоговых ключей цифроуправляемого резистора 2, а те, в 15 свою очередь, управляются двоичнымкодом с выхода реверсивного счетчика4, допустим, разность 1 Ч 1 - 1 ЧО 1 7 0при этом на выходе компаратора 1 низкий потенциал, реверсивный счетчик 30 4 работает в режиме вычитания, напряжение уменьшается скачками, равнымивесу младшего двоичного разряда. Присмене знака разности, т.е. при1 Ч - ЧО ( О, компаратор 1,переключится в положение с высоким потен-циалом и счетчик переключится в режимслежения и будет находится в этом положении, пока Ч 11 -ЧО опять непоменяет знак.; Таким образом, следящий АЦП (образованный блоками 1, 2,4 и 5) ЬЦП работает в режиме рысканьяоколо точки настройки ЧО (фиг. 2 а)с частотой Г )О, гДе 5 г - частотатактовых импульсов. При этом эпюрынапряжения на выходе ЦУР 2 будутиметь вид, изображенный на фиг. 2 а.При изменении входного напряжения Ув пределах зоны нечувствительностиЬЧО, т.е. когда (Ч - ЧО (ЬЧО характер работы не изменяется, следова тельно не изменяется и ЧО, что и определяет методическую погрешностьпреобразования. Как только Ч- УО 1УО, следящий АЦП (блоки 1, 2,4 и 5) начинает обрабатывать в сторону уменьшения )Ч 1 - 1 Чв до тех пор,пока )Ч 1 -1 ЧО не станет САНЧО ирысканье возобновится уже вокруг новой точки равновесия УО (фиг. 2 а).Для уменьшения зоны нечувствительности в предлагаемом устройстве входнойсигнал Ч суммируется в сумматоре8 с треугольным напряжением с выходагенератора 10, полный размах этогонапряжения равен зоне нечувствительночти ЬЧО . Частота треугольного напряжения выбирается на порядок меньше, чем частота рысканья, т.е. равной 1 ЩО . Допустим У находится всередине эоны нечувствйтельностиЬЧО при этом треугольное напряжение 60 не выходит иэ зоны (фиг. 26), работаАЦП в этом случае аналогична работеизвестного. При увеличении, например,напряжения У на величину ЬЧ, выходное напряжение сумматора 8 увеличится на ьЧ и треугольное напряжение35 40 45 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 О 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 На, а остальную часть1периода - в нижней зоне ЧО.Напряжение с выхода цифро-управляемого ре.зистора 2 подается на фильтр нижних частот 7 и выделяется постоянная сос. тавляющая ЧФ . Эта постоянная состав ляющая сравнивается в дифференциаль- ном усилителе 9 свходным напряже-. нием Н, а разность НФ-Ч 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- ЗОтель и сумматор 8 образуют дополнительный следящий контур, уменьшающийпогрешность от нестабильности - ис.пользуемых элементов и паразитныхвыбросов выходного напряжения. На фиг. 2 видно, 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 чачдро Фт тот на величину , (ткф-,вил.= в) накаждый 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 Ч выходное напряжение на выходе Фильтра нижних частот 11 будеттакже пропорционально и величинеН. Таким образом, на управляющиевходы цифро-управляемого резистора3 подается цифровое слово с выходареверсивного двоичного счетчика, а на информационный вход подается второе иэ перемножаемых напряжений Ч,Это цифровое слово преобразуется в аналоговый сигнал Чв, на выходе операционного усилителя 11, это выходное напряжение можно представить в вгикевых="(аида"+а 1 +,"+а 1 ") фгде а -а- коэффициенты равны нулю,если у выходного двоичного слова вданном разряде нуль, и единице, если у входного двоичного слова в данном разряде единица. Вепичина, стоящая в скобках, прямо пропорциональна вто. рому сомножителю Ч с точностью до младшего разряда, поскольку цифровое слово, выраженное коэффициентами а, а ,а получено в результате преобразования напряжения в двоичный код, следовательно(афГ"+ а +д "):кМтогда ЧВых= КНН .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. Формула изобретения 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 фильтранижней частоты подключен к выходувторого цифро-управляемого резистора, выход второго фильтра нижней частоты подключен к инвертирующему883930 ИИПИ Закаэ 1024/75 Тираж 748 Подписное Филиал ППП "Патент Ужгор роектиая,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 экспертизе1. Проектирование и применениеоперационных 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, Ч 1-23 (прототип) .