Способ перемножения аналоговых сигналов (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 1% (И) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВУ СКОМУ С КА зилов,йЛенина полиВ,И,Ленина итании публик, 1972 р. Преобраараметров змерения,198-200овых чт ыи игн л опорн о напряжен ый сигнал интег уют сумм ения с форми сигналмента напряжения, исигнал до момпороговым цап ри ностныи нта сравнения с в яжением, формирую ельность временных вую последов и рвалов моментами сравнен валы заполняют си тоты, о т л и ч ия,гнаременные инте ом опорной ча щ и й с я т м, что ью повы щения точ произведен сти при пред я в иф овой ав 1 и.р форме пороговое напря орому с 1 и егрирсвацный авццвают с третьмируют тре пропорцион льцое вт лу, сомножит ный сгн инт с уммарм поГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП(46) 30.09,84. Вюл. М" 3 (72) А.С.Лавыдов, В.У.К Л,В.Лось и И.И.Смцлянск (71) Харьковский ордена технический институт им (53) 681.335(088.8) (56) 1. Патент Великобр Ф 1269906, кл. 3 4 6, о2. Мартяшин А.И, и д зование электрических и для систем контроля и и М "Энергия", 1976, с. (прототип),ЕРЕМНОЖЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ ВАРИАНТЫ).б перемножения анало - в, заключающийся в том, ски формируют суммаррвого сигнала-сомножирным пороговым напряж т разностцый сигнал и омножителя и опорного роговым напряжением, формируют четвертое пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножИ- телю, интегрированный разностный сигнал сравнивают с четвертым пороговым напряжением, формируют вторую последовательцость временных интервалов между моментами сравнения, формируют третью последовательность временных интервалов, длительность каждого из которых определяется моментами начала и конца соответствующих временных интервалов из первой и второй последовательностей временных интервалов, заполняют третью последова/тельность временных интервалов сигналом опорной частоты, получают разность числа периодов сигнала опорной частоты в соседних временных интервалах, накапливают полученную разность числа периодов сигнала опорной частоты, преобразуют накопленную разность в напряжение и суммируют его с третьим и четвертым пороговыми напряжениями,2, Способ перемножения аналоговых сигналов, заключающийся в том, что периодически формируют суммарный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения, интегрируют суммарный сигнал до момента сравнения с первым пороговым напряжением, формируют разностный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения, интегрируют раэцостный сигнал до момента сравнения с вторым пороговым напряжением, формируют последовательность временных интервалов между моментами сравнения, временные интервалы заполняют сигналом опорной частоты, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повыше1116437 ния точности при представлении произведения в цифровой форме, формируют третье пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножителю, интегрированный суммарный сигнал сравнивают с третьим пороговымнапряжением, формируют четвертое пороговое напряжение, пропорциональное второмусигналу-сомножителю, интегрированныйразностный сигнал сравнивают с четвертым пороговым напряжением, фиксируют моменты сравнения интегрированных сигналов с третьим и четвер 1Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь. зовано в аналоговых вычислительных машинах.Известен способ перемножения анало-говых сигналов с представлением произведения в цифровой форме, заключающийся в последовательном преобразовании аналоговых сигналов в код, который реализован в устройстве, содержа-10 щем интеграторы, компараторы, муль-, типлексоры, логический сумматор 1.Недостатком этого способа является сложность его реализации.Наиболее близким к предлагаемому 15 является способ перемножения аналоговых сигналов с представлением результата перемножения в цифровой форме, основанный на промежуточном преобразовании произведения в временный интервал. Согласно этому способу периодически формируют суммарный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения и интегрируют полученный суммарный сигнал 2 до момента сравнения с первым пороговым напряжением, формируют разностный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения и интегУрируют его.до момента сравнения с вторым пороговым напряжением, формируют последовательность временных интервалов между моментами сравнения, которьии модулируют второй сигналсомножитель, модулированный сигнал преобразовывают в интервал времени, который заполняют сигналом опорной частоты, подсчитывают число периодов тым пороговыми напряжениями, в соответствии с которыми выбирают моменты начала и конца временных интервалов формируемой последовательности временных интервалов, получают,разность числа периодов опорной частоты в соседних временных интерва-,лах, накапливают полученную разностьчисла периодов сигнала опорной частоты, накопленную разность числапериодов преобразуют в напряжениеи суммируют его с первым и вторымпороговыми напряжениями. опорной частоты эа интервал преобразования 2.Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная наличием промежуточных аналоговых преобразований.Цель изобретения - повышение точности перемножения аналоговых сигналов при представлении произведения в цифровой форме.Указанная цель по первому варианту достигается тем, что согласно способу перемножения аналоговых сигналов, заключающемуся в том, что периодически формируют суммарный сигнал первого сигнала"сомножителя и опорного напряжения, интегрируют суммарный сигнал до момента сравнения с первым пороговым напряжением, формируют разностный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения, интегрируют разностный сигнал до момента сравнения с вторым пороговым напряжением, формируют первую последовательность временных интервалов между моментами сравнения, временные интервалы заполняют сигналом опорной частоты, формируют третье пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножителю, интегрированный суммарный сигнал сравнивают с третьим пороговым напряжением, .формируют четвертое пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножителю, интегрированный разностный сигнал сравнивают с четвертым пороговым напряжением, формируют вторую последовательность временных интервалов между моментами сравнения, формируют третью последовательность временных интервалов,дли- тельность каждого из которых опреде-", ляется моментами начала и конца соответствующих временных интервалов из первой и второй последовательностей временных интервалов, заполняют третью последовательность временных интервалов сигналом опорной часто ты, получают разность числа периодов сигнала опорной частоты в соседнихвременных интервалах, накапливают полученную разность числа периодов сигнала опорной частоты, преобразу ют накопленную разность в напряжение и суммируют его с третьим и четвертым пороговыми напряжениями.Указанная цель по второму вариан 20 ту достигается тем, что согласно способу .перемножения аналоговых сигналов, заключающемуся в том, что периодически формируют суммарный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения, интегрируют суммарный сигнал до момента сравнения с первым пороговым напряжением, формируют разностный сигнал первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения, интегрируют разностныйсигнал до момента сравнения с вторым пороговым напряжением, формируют последовательность временных интервалов между моментами сравнения, временные интервалы заполняют З 5 сигналом опорной частоты, формируют третье пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножителю, интегрированный суммарный сигнал сравнивают с третьим порого вым напряжением, формируют четвертое пороговое напряжение, пропорциональное второму сигналу-сомножителю, интегрированный разностный сигнал сравнивают с четвертым пороговым 45 напряжением, фиксируют моменты сравнения интегрированных сигналов с третьим и четвертым пороговыми напряжениями, в соответствии с которыми выбирают моменты начала и кон ца временных интервалов формируемой последовательности временных интервалов, получают разность числа периодов опорной частоты в соседних временных интервалах, накапливают 55 полученную разность числа периодов сигнала опорной частоты, накопленную разность числа периодов преобразуют в напряжение и суммируют его с первым и вторым пороговыми напряжениями.На фиг. 1 изображены временные диаграммы, поясняющие предложенный способ перемножения аналоговых сигналов; на фиг. 2 - одна из возможных схемных реализаций способа; на фиг. 3 - одна из возможных реализаций варианта способа.Перемножение двух аналоговых сигналов с представлением результата в цифровой форме согласно предлагаемому способу осуществляют следующим образом.Периодически формируют сумму первого сигнала-сомножителя Х и опорного напряжения 0 и интегрируют полученный .суммарный сигнал. В результате получают развертывающее напряжение Р (фиг.1 о,б), изменяющееся по законугде 1- постоянная времени интегрирования;Р(0) - начальное значение развертывающей функции.В случае, когда Х = Х = сопзС (сигнал Х постоянного тока) или когда можно пренебречь изменением сигнала Х за время цикла преобразования (частота преобразования значительно выше частоты входного сигнала Х), получимК (С)= 10 +х)1+Я(0)и,Интегрирование суммарного сигнала продолжают до момента сравнения К(с) с первым пороговым напряжением П (моменты времени 1 на фиг. 1 а,б).Формируют разность первого сигнала-сомножителя и опорного напряжения и интегрируют полученный разностный сигнал, получая развертывающее напряжение К 2(С), изменяющееся по законуг .е , 1116437Интегрирование разностного сигнала продолжают до момента сравнения с вторым пороговым напряжением П (моменты времени С на фиг. 1 сю,б). Эти операции продолжают, периодически 5 сменяя развертывающую функцию К(С) на К 4(1) и наоборот, причем выдерживают условие К(1) = В(1) и К (С) = К(С, означающее неразрывность развертывающих функций . Между моментами сравнения интегрированных суммарного и разностного сигнала (развертывающих напряжений К(1) и К(С) с первым и вторым пороговыми напряжениями П и П ) формируют первую последовательность чередующихсявременных интервалов (фиг. 16).Формируют третье . и четвертое пороговые напряжения П 5 и П 4, про порциональные второму сигналу-сомножителю У. Интегрированный суммарный сигнал К, сравнивают с третьим пороговым напряжением П , а интегрированный разностный сигйал - с чет- д вертым пороговым напряжением П . Межмоментами сравнения К(с) с П и1К с П 4 Формируют вторую последовательность временных интервалов (фиг. 1 в). Формируют третью последовательность временных интервалов, длительность каждого из которых определяется моментами начала и конца соответствующих временных интервалов из первой и второй последова 35 тельностей временных интервалов "эь(Фиг1 ч,) .Полученную суммарную последовательность заполняют сигналом опорной . частоты Е . Подсчитывают разность числа периодов (импульсов) опорной частоты на чередующихся интервалах суммарной последовательности (на фиг. 1 импульсы опорной частоты на45 укаэанных интервалах условно показаны разнополярными). Эту разность накапливают и преобразуют в аналоговый сигнал 2, который суммируют с третьим и четвертым пороговыми на 50 пряжениями ПЗ и П, .Величины пороговых напряжений задают следующим образом:П - 1)сю П фф 3П =УКак следует из фиг, 15, каждый цикл преобразования состоит из четырех временных интервалов (тактов)О +У+21 и О+ХО Разность длительностей этих четырех временных интервалов равна О Е-ХУДТ=(, -, +7 - ь =47(Ь)оСогласно одному из вариантов способа Формируют только одну последовательность временных интервалов между моментами сравнения развертывающих напряжений К(С) и К(С) с третьим и четвертым пороговыми напряжениями П и П 4 (фиг, 1 В). Эта последовательность состоит из двух временных .интервалов Г и Ф в каждом цикле преобразования.Указанную последовательность заполняют сигналом опорной частотыподсчитывают разность числа периодов (имппльсов) сигнала опорнои частоты на чередующихся временных интервалах ь иэтой последовательности. Полученную разность накапливают, накопленное значение разности преобразуют в аналоговый сигнал 2, который суммируют с первым и вторым пороговыми напряжениями П и П. и,О,.Х-О,2и О - ХО11 Ц -ХУ+О 2ч ф"2= и 02 Хг0 Разность длительностей этих временных интервалов равна В первом случае первое и второе пороговые напряжения П, П постоянны .П Ц П П ф а пороговые напряжения ПЗ й Пизменяют аналоговым сигналом 2;П. = У + 2, П 4 = -У + 2. Во втором случае П = Б+ 2, П = = -0 + 2, П = У, П 4 = -У (на фиг. 16) значения пороговых напряжений для этого случая указаны в скобках).В обоих случаях длительность двух временных интервалов преобразования равна(81 Согласно обоим вариантам способасформированные временные интервалызаполняют сигналом опорной частотыподсчитывают и накапливают разность числа периодов (импульсов) сигнала опорной частоты в чередующихсявременных интервалах.Приращение разности числа периодов(импульсов) сигнала опорной частотыза каждый цикл преобразования очевидно пропорционально разности временных интервалов за этот цикл, т.е.ХУ-О 2Дй: ФТи О 2 (11)и,-Х (Накопление указанной разности производят непрерывно, а накопленныйцифровой код й преобразуют в аналоговый сигнал 2 = КИ, Очевидно, что изменение цифрового кода И прекратится, когда приращение разности лЙстанет равным нулю, т,е. ХУ - КРОИХ 1О или И = - ( 12.)Фи,1Следовательно, в установившемся ре- З 0жиме аналоговый сигнал 2.и цифровойкод М пропорциональны произведениювходных сигналов, причем, как следует из выражения (11), стабильностьопорной частоты не влияет на точностьЗ 5преобразованияПреимущества предложенного способаперемножения аналоговых сигналов и еговарианта по сравнению с прототипомзаключаются в исключении второго про межуточного преобразования произведения в разность длительностей интервалов времени, что исключает и погрешности, вносимые этим преобразованием.Повышение точности достигается также 4использованием обратной связи. Погрешности определяются в основном тольконелинейностью аналого-цифрового преобразования.Знаки сомножителей Х и У могут бытьп 1 оизвольными, т,е. реализуется четырехквадрантное умножение.На фиг. 2 приведена одна из возможных схемных реализаций способа.Устройство, реализующее способ перемножения аналоговых сигналов,содердит интегратор 1, компараторы 2 и 3,логический элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 37 8(ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛ 1) 4, генератор 5 опорной частоты, реверсивный счетчик 6, блок 7 индикации, цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП) н устройство 9 коммутации знака, входы 10 и 11 соответственно первого и второго сигналов-сомножителей.Выходной сигнал в сомножите Хподключен к входу суммирующего интегратора 1, на второй вход которого подают опорное напряжение + О с выхода компаратора 2. Сигнал положительной обратной связи, подаваемый с выхода компаратора 2 на его неинвертирующий вход, определяет первое и второе пороговые напряжения П и П1 2 Последовательно соединенные интегратор 1 и компаратор 2 работают в режиме автогенератора, На выходе интегратора 1 формируются линейно изменяющиеся развертывающие напряжения К И ) и Р (1), а на выходе компаратора 2 - прямоугольное напряжение (меандр), определяющее первую последовательность временных интервалов (фиг. 16) .Выход интегратора 1 подключен к одному входу компаратора 3, на другой вход которого поданы входной сигнал У и сигнал + 2, определяющие третье и четвертое пороговые напряжения П и П . Компаратор 3 сравнив ет развертывающие напряжения с пороговыми и формируют вторую последовательность временных интервалов (фиг. 18). Выходы компараторов 2 и 3 подключены к входу логического элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 4, с помощью которого логически суммируются сформированные на их выходах последовательности временных интервалов. Выход логического элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 4 подключен к входу, управляющему направлением счета реверсивного счетчика 6, к счетному входу которого подключен выход генератора 5 опорной частоты. Реверсивный счетчик б подсчитывает разность импульсов в примыкающих временных интервалах суммарной последовательности и накапливает эту разность. Информационные выходы реверсивного счетчика 6 подключены к входам блока 7 индикации и ЦАП 8. На выходе ЦАП 8 Формируется аналоговый сигнал 2, пропорциональный цифровому коду.Н, накопленному в счетчике 6. С выхода ЦАП этот сигнал по 9 11ступает на вход устройства 9 коммутации знака, которое в зависимостиот знака выходного напряжения компаратора 2 изменяет знак сигнала Яподаваемого на вход компаратора 3.В установившемся режиме суммарнаядлительность положительных и отрицательных импульсов временных интервалов на выходе логического элементаНЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 4, соответствующаялогическому нулю и логической единице, равны. Следовательно, в счетчик6 поступает равное число импульсовна сложение и вычитание и код, записанный в счетчике 6, не изменяется,а его значение соответствует произведению входных сигналов,Схема, приведенная на фиг. 3, иллюстрирует одну из возможных реализаций способа перемножения аналоговых сигналов. На этой схеме сохранены номера всех функциональных блоковсогласно фиг, 2,В этой схеме входной сигнал У, определяющий третье и четвертое пороговые напряжения П и П , подай навход устройства 9 коммутации знака,уп 1 авляемого компаратором 2. Сигнал+У подан на вход компаратора 2, гдесуммируется с аналоговым сигналом 2.Суммарный сигнал +У + 2 сравниваетсяомпаратором 3 с развертывающими на 16437 1 Опряжениями Ки К(1:). Компаратор3 формирует последовательность временных интервалов. Выходной сигналкомпаратора 3 управляет направлениемсчета реверсивного счетчика 6. Востальном работа схемы согласнофиг. 3 не отличается от работы схемы,показанной на фиг. 2. Как следуетиз схемы фиг. 3, здесь не использу ется последовательность временныхинтервалов на выходе комнаратора 2и отсутствует логический элементНЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, производящий логическое суммирование последователь ностей временных интервалов. Согласно варианту способа сигналом 2 можно изменять не третье и четвертое пороговые напряжения П и П, 20 а первое и второе пороговые напряженияП и П , В этом случае сигнал пода-ют на вход компаратора 2, как показано на фиг. 3 пунктиром.Технико-экономическое преимущест во предложенного способа перемноженияаналоговых сигналов в отличие от способа-прототипа состоит в повышенииточности преобразования за счет исключения погрешности, вносимой вторымпромежуточным преобразованием произведения в разность длительностей интервалов времени.1116437 в.г едактор Л аказ писн и б иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Составитель О.Отрадносеенко Техред Л,Иартяшова 31/39 ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Моск