Устройство для генерирования функций

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ пп 537355 Союз Соеетскик Социалистических Республик(51) М, Кл,Р б 066 7/26 с присоединением заявк 23) Приоритет Государственный комитет Совета Министров СССР По делам изобретений 53) УДК 681.335(088.8) тень44 убликовано 30,11.76. Бюл открытии та опубликования описания 10.03.7(71) Заявитель иевский ордена Ленина политехнический институт им, 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(54) УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИ НКЦИ Предлагаемое устройство для генерирования функций относится к аналоговой вычислительной технике и может найти применение в системах автоматического управления и других областях, в частности для проведения объ ективной аудиометрии слухового или зрительного каналов и узлов коры головного мозга.Известны устройства для генерирования функций, содержащие .генераторы импульсов, ключевые элементы, источники напряжения, 10 коммутаторы, коммутируемые резисторы, подключаемые к входу операционного усилителя 1, 21.Известные устройства характеризуются ограниченным классом воспроизводимых функ ций, сложностью конструкции, а также требуют больших временных затрат на перестройку моделируемой функции в связи с невозможностью, применения автоматической настройки.Из известных устройств для генерирования 20 функций наиболее близким к изобретению по техническому решению является устройство, содержащее блок настройки, источник управляющего напряжения, выход которого через последовательно соединенные согласующий 25 резистор и первый разделительный конденсатор связан с выходом источника напряжения возбуждения, и операционный усилительк входу которого подключены первые обкладки выходных разделительных конденсаторов 31,Известное устройство для генерирования функций позволяет моделировать ограниченный класс функций, а именно монотонные функции, так как его схема вырабатывает только одного знака приращение ординат.Кроме того, в этом устройстве элементы задания аргумента и элементы приращения ординат выполнены на переменных резисторах, большое количество которых увеличивает габариты устройства, а также обеспечивает лишь механическую перестройку воспроизводимой функции с малой точностью. Обязательное наличие ключевых элементов в схеме существующего устройства усложняет его схему и повышает инструментальную погрешность.Цель изобретения - расширение класса воспроизводимых функций.Это достигается тем, что в устройство введены разделительные конденсаторы, разделительные резисторы, формирующие пьезотрансформаторы, компенсирующий пьезотрансформатор и пьезотрансформатор начальных условий, Вход последнего через второй разделительный конденсатор подсоединен к вых - источника напряжения возбуждениярому через третий разделительтор подключен вход компенсирующего пьезотрансформатора. Входы формирующих пьезотрансформаторов соединены с общим выводомсогласующего резистора и первого разделительного конденсатора, выходы пьезотрансформаторов - с вторыми обкладками соответствующих выходных разделительных конденсаторов непосредственно и с выходом блоканастройки через соответствующие разделительные резисторы; экранирующие электроды 10 всех пьезотрансформаторов соединены с шиной нулевого потенциала.На чертеже представлена структурная схема устройства для генерирования функций.Оно содержит и пьезотрансформаторов 1, - 151, в которых пластина 2 является секцией возбуждения, а,пластина 3 - генераторной секцией. Входные электроды 4 пьезотрансформаторов 11 - 1 объединены и соединены через разделительный резистор 5 с выходом источ ника 6 управляющего напряжения и, кроме того, через конденсатор 7 с выходом источника 8 напряжения возбуждения. К выходу источника 8 возбуждения подсоединены также входные электроды 4 компенсирующего пье зотрансформатора 9 и пьезотрансформатора 10 начальных условий через разделительные конденсаторы 11. Экранирующие электроды 12 объединены и соединены с шиной нулевого потенциала, а выходные электроды 13 всех ЗО пьезотрансформаторов через разделительные резисторы 14,подключены к выходам блока 15 настройки и через разделительные конденсаторы 16 - к суммирующей точке 17 операционного усилителя 18, Клемма 19 является вы ходной клеммой устройства для генерирования функций. Блок 15 в случае ручной настройки представляет собой источник регулируемого разнополярного постоянного напряжения, к которому поочередно подключаются ге нераторные секции пьезотрансформаторов 11 - 1, 9 и 10. Этот же блок при автоматической настройке содержит формирователь 20 постоянного напряжения, нуль-орган 21, ис.точники 22 эталонного разнополярного напря. 45 жения, устройство 23 управления, аналоговые ключи 24 и генератор 25 разнополярного пилообразного напряжения. При настройке функции выход устройства для генерирования функции (клемма 19) подсоединяется к вхо ду формирователя 20 постоянного напряжения (на чертеже связь показана пунктирной линией).Предлагаемое устройство позволяет воспроизводить функции по методу кусочно-постоян ной аппроксимации. При этом форма выходного сигнала устройства зависит от вида цепи обратной связи операционного усилителя 18.Включение в цепь обратной связи одного конденсатора дает возможность получить на вы ходе амплитудно-модулированные импульсы напряжения, частота следования которых определяется частотой импульсов источника напряжения возбуждения. Если параллельно конденсатору цепи обратной связи усилителя 65 418 включить резистор большого сопротивления, то, таким образом, можно преобразовать импульсы напряжения в постоянное напряжение. Уровни квантования по оси абсцисс задаются различными толщинами пьезотрансформаторов 1, - 1, или применением для пластин секций возбуждения сегистопьезоматериалов, отличающихся различными напряжениями поляризации. С помощью коэффициентов передач по напряжению, величина которых определяется уровнем поляризации генераторных секций пьезотрансформаторов 11 - 1, задаются приращения по оси ординат,Пьезотрансформатор 9 используется для компенсации выходных сигналов пьезотрансформаторов 11 - 1 и 10, его генераторная секция поляризуется в направлении, противоположном направлению генераторных секций трансформаторов 11 - 1 и 10.Устройство для генерирования функций имеет два режима работы: режим настройки нелинейной зависимости по методу кусочно- постоянной аппроксимации и режим генерирования функции.Настройка преобразователя начинается с установки пьезотрансформаторов 1, - 1, 9 и 10 в исходное положение. Такому состоянию соответствует установление насыщенной поляризации в секциях возбуждения пьезотрансформаторов 1 - 1 в направлении, указанном на чертеже сплошными стрелками, а также нулевая поляризованность генераторных секций пьезотрансформаторов 11 - 1, 9 и 10. Получить необходимую поляризацию секций возбуждения пьезотр ансфор м аторо в 11 - 1 можно подключением к входным электродам 4 выходного напряжения источника 6 управляющего напряжения через разделительный резистор 5. Для создания нулевой поляризованности генераторных секций всех пьезотрансформаторов к их выходным электродам 13 подают через разделительные резисторы 14 выходные напряжения блока 15 настройки таких величин и знака, которые обеспечивают насыщенную поляризацию секций в направлении, отмеченном на чертеже пунктирными стрелками. Затем к входным электродам 4 пьезотрансформаторов 11 - 1, 9 и 10 прикладываются одновременно сигналы возбуждения, поступающие с выхода источника 8 через разделительные конденсаторы 7 и 11, Выходной сигнал на клемме 19 отсутствует благодаря взаимной компенсации выходных сигналов пьезотрансформаторов устройства для генерирования функций в суммирующей точке 17. Далее, начиная с пьезотрансформатора 1, имеющего самое малое напряжение переключения, к выходному электроду 13 от блока 15 настройки подают напряжение противоположного знака тому, которое обеспечило поляризацию, указанную на чертеже пунктирной стрелкой до тех пор, пока коэффициент передачи Кэтого пьезотрансформатора не станет равным О. Об этом свидетельствует выходной сигнал преобразователя, знак которого противоположенния ЛУ 1 должен быть противоположным истинному моделируемой функции и задается соответствующей полярностью напряжения блока настройки. Аналогичным образом вос производится второе приращение ординаты спомощью пьезотрансформатора, напряжение переключения которого по своему значению находится на втором месте. Выходной сигнал в данном случае уже определяется суммой 10 двух приращений напряженийЛУ,- ЛУ, ЛУ, -КфУ,- 2 15й5 ди,дф," дд,.1=1После настройки последнего прир ащения ординаты, если выходной сигнал ЛУне равен нлю, его компенсируют, поляризуя генераторную секции пьезотрансформатора 9 до необходимой величины и направления напояжением, поступающим с блока настройки. На этом заканчивается настроика преобразователя при нулевых начальных условиях. Б противном случае, дополнительно к изложенному устанавливают на выходе напряжение начальных условий. Для этого к выходному электроду 13 генераторной секции пьезотрансформатооа 10 подключают выходное напряжение блока настройки соответствующей величины и знака и поляоизуют секцию до получения необходимого коэффициента передачи указанного пьезотоансфооматора. Напряжение начальных условий У,1 у равно где ЛУ, половина напряжения,первого приращения ординаты;К 1 изменение коэффициента передачипьезотоансформатора 11 от .+К, до -+Кт, (Ккоэффициент пе редачи пьезотрансформатора с самым малым напряжением переполяризации 0 устанавливаемый для воспроизведения приращения ординаты моделируемой функции) при поляризации его секции возбуждения во время воспроизведения функциональной зависимости;Кь коэффициент передачи операционното усилителя 18 совместно с разделительным конденсатооом 16;У - , амплитудное значение напряжениясигнала возбуждения на входе пьезотрансформаторов.Б момент равенства напряжения прираще О ния ординаты ЛУ 1 на выходе преобразователя величине, равной половине первого приращения оодинаты, напряжение блока настройки отключаются от выхода первого пьезотрансформатора. Знак:напряжения прираще ных знаку выходного сигнала пьезотрансформатора 11, так как он обусловлен недокомпенсированным выходным сигналом пьезотрансформатора 9. Путем подключения к выходному электроду 13 пьезотрансформатора 9 выходного напряжения блока 15 настройки соответствующего знака и величины снова устанавливают нулевой выходной сигнал устройства. В момент равенства нулю коэффициента Кнапряжение, приложенное к выходному электроду 13 пьезотрансформатора 11, отключается. На этом заканчивается установка нулевой поляризованности,первого пьезотрансформатора 1,. Аналогичным образом осуществляется нулевая поляризованность тенераторных секций пьезотоанссЬооматооов 12 1 и 9. В конечном итоге коэффициенты передач сегнетоэлектрических пьезотрансформаторов 1, 9 и 10 оказываются равными нулю и в соответствии с этим выходной сигнал на выходе отсутствует. Устройство готово для выполнения электрической настройки. Во время настройки сигнал возбуждения блока 8 приложен к входным электродам 4 пьезотрансформаторов 1, 9 и 10. В качестве элементов приращения ординат используются пьезотрансформаторы 1, коэффициенты передачи К, которых определяются степенью поляризованности генераторных секций.Независимо от вида начальных условий,первое приращение ординаты производится с помощью пьезотрансформатора 1 с малым напряжением переполяризации. Для этого к выходному электроду 13 пьезотрансформатооа подключается напряжение блока 15 настройки через разделительный резистор 14 до получения выходного сигнала, равного:У, = "-1 К,.У,2 ение коэффициента передачиезрмофорьитора 1 при ц- поляризации секции возбужденияОчевидно выходное напряжение преобразователя при воспроизведении и-то приращения ординаты ступенчато-аппроксимированной нелинейной зависимости равно,ф Угде Ккоэффициент передачи пьезотрансформатора 10, обеспечивающий необходимое напряжение Уу на выходе.Знак напряжения У н отличие от знаков приращений ординат, должен совпадать со знаком напряжения началь условии аппроксимиоованной функции,Настройка преобразователя на этом заканчивается. Режим моделирования функции начинается с момента приложения к входным электродам 4 пьезотрансформаторов 11 1, 9, 10 сигналов возбуждения от источника 8 сигналов возбуждения и линейно изменяющегося напряжения управления от источника 6 угу авляющего напряжения через разделительный резистор 5 к электродам 4 пьезотрансфооматоров. Знак линейно изменяющегося напряжения должен обеспечить переполяризацию секций возбуждения пьезотрансформаторов. При этосом сначала переполяризуется секция возбуждения пьезотрансформатора 1, имеющего самое малое напряжение поляризации У Переполяризация имеет скачкообразный характер (аналогичный включению источника, воспроизводящего, приращение ординаты функции) и приводит к разбалансировке динамического равновесия выходного сигнала, созданного при электрической настройке преобразователя с помощью пьезотрансформаторов 9. Выходное напряжение пьезотрансформатора 1 через разделительный конденсатор 16 поступает на операционный усилитель 18, ,где алтебраически складывается с напряжением начальных условий, и результат суммы появляется на выходе устройства, Ввиду изменения направления поляризации секции возбуждения на противоположное, знак выходного сигнала напряжения приращения ординаты оказывается также противоположным тому, который был при настройке. В данном случае знак напряжения приращения ординаты и его величина совпадают с действительным приращением ступенчато-аппроксимированной функции. Дальнейшее увеличение управляющего входного напряжения приводит к последовательной переполяризации секций возбуждения других пьезотрансформаторов 1, напряжения переполяризации которых удовлетворяют соотношению У(00. Этот процесс наблюдается до тех пор, пока входное управляющее напряжение не станет достаточным для переполяризации секции возбуждения пьезотрансформатора 1 с наибольшим напряжением переключения У. Напряжение на выходе в любой момент представляет собой алгебраическую сумму напряжений приращений ординат и напряжения начальных условий. Моделирование функции на этом прекращается. Для повторного воспроизведения функции необходимо секции возбуждения пьезотрансформаторов 1 переполяризовать в исходное состояние, путем приложения к входным электродам пьезотрансформатора 1 напряжения соответствующей, полярности от источника 6 управляющего напряжения,Использование формирующих пьезотрансформаторов, компенсирующего пьезотрансформатора и пьезотрансформатора начальных условий, а также разделительных резисторов и конденсаторов выгодно отличает предлагаемое устройство для генерирования функций от указанного прототипа, так как благодаря формированию с,помощью одних и тех же пьезотрансформаторов положительных и отрицательных приращений ординат путем соответствующей поляризации генераторной сек ции пьезотрансформаторов по отношению к секции возбуждения в нем значительно расширяется класс воспроизводимых функций. При этом в отличие от известного устройства стало возможным воспроизведение немонтажных и разнополярных функций, а также функций, содержащих несколько экстремумов.Вследствие интегрального исполнения пьезотрансформаторов уменьшились габариты предлагаемого устройства, а электрическая перестройка функциональной зависимости позволяет с одной стороны внедрить автоматическую программную настройку устройства для генерирования функции, а с другой стороны повысить точность настройки. Кроме того, отсутствие ключевых элементов упрощает схему и уменьшает инструментальную погрешность. 10 15 Формула изобретения 20 Устройство для генерирования функций, содержащее блок настройки, источник управляющего напряжения, выход которого черезпоследовательно соединенные согласующий25,резистор и первый разделительный конденсатор соединен с выходом источника напряжения возбуждения, и операционный усилитель,к входу которого подключены первые обкладки выходных разделительных конденсаторов,З 0 отличающееся тем, что, с целью расширения класса воспроизводимых функций, оносодержит разделительные конденсаторы, разделительные резисторы, формирующие пьезотрансформаторы, компенсирующий пьезо 35 трансформатор и пьезотрансформатор начальных условий, вход которого через второйразделительный конденсатор подключен к выходу источника напряжения возбуждения, ккоторому через третий разделительный кон 40 денсатор подключен вход компенсирующегопьезотран сфор матора, входы формирующихпьезотрансформаторов соединены с общим выводом согласующего резистора и первого разделительного конденсатора, выходы пьезо 45 трансформаторов соединены с вторыми обкладками соответствующих выходных разделительных конденсаторов непосредственно и свыходом блока настройки через соответствующие разделительные резисторы, экранирую 50 щие электроды всех пьезотрансформаторов соединены с шиной нулевого потенциала,Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Патент Японии21269, кл. 114 А 522,55 1963.2. Авт. св,374621, кл, 6 066 7/26, 1971,3. Смолов В. Б. Аналоговые вычислительныемашины. Изд. Высшая школа, М., 1972,с, 257 в 2 (прототип),Корректор Н. Аук Редактор И. Грузова Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 700/4 Изд.1827 Тираж 864 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5