Устройство для вычисления тангенса

.СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 06 Р ЕНИ мпульсного аргумен ф О Изобретени ной технике и телеметрически тельных систем ляющих компле Целью изоб ние точности и нии устройства,Поставленн в устройство, со тий преобразововыше проще ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И ВТОРСКОУУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И,Ульянова (Ленина)(56) Авторское свидетельство СССР М 1275433, кл. 8 06 Р 7/548, 1985.Авторское свидетельство СССР М 1462301, кл, 0 06 Р 71548, 1988.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ТАНГЕНСА(57) Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в телеметрических информационно-измерительных системах и вычислительно-управляющих комплексах. Целью изобретения является повышение точности и упрощение устройства, Устройство содержит три преобразователя 1 - 3 код-частота, элемент И 4, два реверсивных счетчика 5, 6, коммутатор 7, входы 8 - 11, выход 12. элемент НЕ 13,е относится к вычислит может найти применени х информационно-изме ах и вычислительно-уп ксах.ретения является и ри одновременном у ая цель достигается тем, что держащее с первого по треатели код-частота, элемент) Ы 1 1734 О 91 А 1 выход 14 и элемент И 15. Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании простого устройства для получения тангенсной зависимости повышенной точности с одновременным преобразованием ШИМ- сигнала в код при усреднении импульсных потоков и частотным заданием опорных величин для реализации воспроизводимой функции дробно-рациональной аппроксимацией четвертого порядка, позволяющего отслеживать изменение входных величин в процессе непрерывного формирования результата, посредством организации двух структур с отрицательной обратной связью, компенсирующие воздействия в которых вырабатываются и. передаются в частотном виде с совмещением функций умножения и преобразования кода в частоту, а также функций частотного поразрядного мультиплексирования и суммирования, причем при передаче результатов с первого контура на второй одновременно выполняется умножение опорного кодового эквивалента и вреИ, первый и второй реверсивные счетчики, коммутатор, входы первый и второй коэффициентов аппроксимации, кода масшта би рующего коэффициента, широтно-импульсного модулированного сигнала устройства и его выход, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены соответственно с вычитающим входом первого счетчика и первым входом первого элемента. И, второй вход которого объединен с управляющим входом коммута 1734091тора и входом широтно-импульсного моду- ЛИРОВВКНОГО СИГНВЛа уСтройСТва, ПЕРВЫЙ выход которого Обьединен с выходом второго счетчика и кодовым входом третьего преобразователя код-частота, а первый и Второй икфоомационные Входы кОммутатора являются соответствующими входами коэффициентов аппроксимации устройства, Введены элемент НЕ, второй выход устройства и второй элемент И, первый вход котоОого подключен к выходу третьего преобразователя код-частота, а второй - через элемент НЕ к входу широтно-импульсного модулированного сигкала устройства, Выход кода масштабирующего коэффициента которого соединен с кодовым входом второго преобразователя код-частота, подсоединенного частотным входом к Выходу первого преобразователя код-частота, кодовый вход которого Обьед 1 лкзн со Вторым Выходом устройстВа и Выходом первого счетчика, суммирующий вход которого соединен с частотным входом третьего преобразователя код-частота и с первым разрядом выхода коммутатора, а второй разряд этого выхода подключен к частотному входу первого преобразователя код-частота, при этом суммирующие и вычитающие входы второго счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно,Вышеизложенное свидетельствует о наличии в заявляемом техническом решении Отличительных от прототипа признаков, включающих как дополнительные элементы (элемент НЕ, элемент И), так и ранее неизвестные связи между ними и элементами прототипаДокажем существенность отличительных признаков предлагаемоготехнического решения,Введеккые в устройство цифровые элементы широко применяются в вычислителькой технике: элемент НЕ - для Выполнения операции инвертирования; элемент И -для реализации операции коньюнкции,В предлагаемом техническом решении вводимые элементы, как и остальные элементы устройства, используются по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако, Взятые В совокупности, эти элементы и элементы прототипа проявляют новое свойство - кодирование ШИМ-сигнала по закону такгексной функции с повышенной точностью при одновременном упрощении устройства и расширении его функциональных возможностей - не повторяющее ни одно из известных свойств, отличительных признаков и не явлчющееся их суммой, Другими 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 словами, каждый из введенных элементов, отдельно взятый, необходим для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все вместе взятые, т.е. с учетом их взаимосвязей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других устройств подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате, а именно; в повышении точности при одновременном упрощении устройства,Из сказанного следует, что предлагаемое техническое решение обладаетсущественными отличиями от известных технических решений,Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании простого устройства для получения тангенсной зависимости повышенной точности с одковременным преобразованием ШИМ-сигнала в код при усреднении импульсных потоков и частотным заданием опорных величин для реализации воспроизводимой функции дробнорациональной аппроксимацией четвертого порядка, позволяющего отслеживать изменение входных величин в процессе непрерывного формирования результата, посредством организации двух структур с отрицательной обратной связью, компенсирующие воздействия в которых вырабатываются и передаются в частотном виде с совмещением функций умножения и преобразования кода в частоту, а также функций частотного поразрядного мультиплексирования и суммирования, причем при передаче результатов с первого контура на второй одновременно выполняется умножение опорного кодового эквивалента и времяимпульсного аргумента, благодаря чему повышается порядок аппроксимации и исключаются кодовые умножители, сумматор, избыточный преобразователь код-частота и снижается разрядность коммутатора.На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства для вычисления тангенса,Предлагаемое устройство содержит три преобразователя 1 - 3 код-частота, элемент И 4, два реверсивных счетчика 5, б, коммутатор 7, входы 8-11 соответственно первый и второй коэффициентов аппроксимации, кода масштабируемого коэффициента, широтно-импульсного модулированного сигнала устройства и его выход 12, причем выходы преобразователей 1, 2 код-частота соединены соответственно с вычитающим входом счетчика 5 и первым входом элемента И 4, второй вход которого объединенс управляющим входом коммутатора 7 и входом 11 широтно-импульсного модулированного сигнала устройства, выход 12 которогообъединен с выходом счетчика 6 и кодовымвходом преобразователя 3 код-частота, апервый и второй информационные входыкоммутатора 7 являются соответственновходами 8, 9 коэффициентов аппроксимации устройства. Устройство содержит такжеэлемент НЕ 13, второй выход 14 устройства,и элемент И 15, первый вход которого подключен к выходу преобразователя 3 код-частота, а второй - через элемент НЕ 13 квходу 11 широтно-импульсного модулированного сигнала устрсйства, вход 10 кодамасштабирующего коэффициента которогосоединен с кодовым входом преобразователя 2 код-частота, подсоединенного частотным входом к выходу преобразователя 1код-частота, кодовый вход которого объединен со вторым выходом 14 устройства ивыходом счетчика 5, суммирующий вход которого соединен с частотным входом преобразователя 3 код-частота и с первымразрядом выхода коммутатора 7, а второйразряд этого выхода подключен к частотному входу преобразователя 1 код-частота,при этом суммирующие и вычитающие входы счетчика 6 соединены с выходами элементов И 4, 15 соответственно.Устройство работает следующим образом.Пусть в начальный момент времени реверсивные счетчики 5, 6 находятся в нулевом состоянии, На вход 10 подается кодмасштаба й, на вхрд 11 - широтно-импчльсный модулированный (ШИМ) сигнал с относительной длительностью ч, э наинформационные входы 8, 9 поразрядно -последовательности импульсов опорных частот тог, тод и то 1, Фоз.С первого разряда выхода коммутатора7 на суммирующий вход счетчика 5 поступают импульсные последовательности опорнойчастоты 1 О в течение действия ШИМ-сигналаи опорной частоты 1 о 2 - в его отсутствие. Приэтом первый импульс, появившийся на первом разряде выхода коммутатора 7, записывается в счетчик 5 и сделает его содержимоеотличным от нуля.Преобразователь 1 код-частота работает через коммутатор 7 с опорной частотой1 оз в течение действия ШИМ-сигнала и сопорной частоты 1 о 4 - в его отсутствие,Этот преобразователь включен в цепь обратной связи счетчика 5 и начнет вырабатывать импульсную последовательность, таккак управляющий им код Му с выхода счетчика 5 стал отличен от нуля,Последовательность импульсов с выхода преобразователя 1 непрерывно поступает на вычитающий вход счетчика 5 и на частотный вход преобразователя 2 код-частота.Импульсная последовательность, выработанная преобразователем 2 код-частота, 5 под воздействием кода масштаба й в течение действия ШИМ-сигнала поступает через элемент И 4 на суммирующий вход счетчика 6. После того, как выходной код йу счетчика 6 принял ненулевое значе ние, преобразователь 3 код-частота, работающий через коммутатор 7 с опорной частотой то 1 в течение действия ШИМ- сигнала и с опорной частотой аког - в его отсутствие, начнет вырабатывать им пульсную последовательность. Во времяотсутствия ШИМ-сигнала, благодаря разрешающему сигналу с выхода элемента НЕ 13, эта последовательность импульсов с выхода преобразователя 3 поступа ет через элемент И 15 на вычитающийвход счетчика 6.Далее процесс повторяется аналогичным образом, и при достижении равенства числа импульсов за период следования 25 ШИМ-сигнала, поступающих на суммирующий и вычитающий входы для обоих счетчиков, устройство переходит в режим динамического равновесия, при котором выходные коды счетчиков соответствуют 30 требуемым результатам.Все элементы предлагаемого устройства являются хорошо известными, Если, например, представить реализацию устройства на системе элементов ТТЛ, то 35 можно выбрать следующие микросхемы:преобразователи 1 - 3 код-частота могут быть выполнены, например, на основе микросхемы К 155 ИЕ 8, в качестве реверсивных счетчиков 5, 6 можно использовать, напри мер, микросхему К 155 ИЕ 7, коммутатор 7можно выполнить, например, на основе микросхемы К 531 КП 11, в качестве элементов И 4, 15 можно использовать микросхему К 155 ЛИ 1, а в качестве элемента НЕ 13 - 45 микросхему К 155 ЛН 1.В основу работы устройства положенитерационный принцип усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы и 50 автоматической компенсации частотно-импульсных последовательностей, реализуемой с помощью отрицательной обратной связи, при частотном задании опорных величин и организации из двухканального частотного 55 коммутирования для одновременного использования в вычитающей цепи дополнительного контура и суммирующей цепи главного контура, а затем наоборот, причем осуществляется умножение кодовоимпульс1734091 Е+ б(т ч) = и 1 Т+ ч, т (1+1)Т, дние значения расучетом ШИМ-модунверсной ч = (1 - ч) ностях за период Т ется выражениями образом, сре ых частот с прямой ч и и ных длитель ала определя Таким сматриваем ляции при относитель ШИМ-сигн Р+5 =то+ т 02(1 - ч) оз апИг 1 ч + -2 г(1 -ч)= Р= -2 йг 1 2 п ч)1; Зч + ХО 43,Средние значения э довательностей оп венно функциональ 1 оз 3 +б =йг 3 Зч; 22 п,при 1 Тмости для кодовсоответственно дующие зависи х счетчиков 5, б олучим северсивн- 5- М2 п(КТ+ 7),Р+б(1,ч) = ри 3 сТ+ 7 1 (3(+1)Т;"., 31-ч)- и (1-)(КТ ри КТ Е-б(1 ч- Мг 2, при КТ 2 п(р 1)Т; о+ от ч е т - текущее время;1относит ч 3 Епч 04( )1 образом, устройство льные зависимости, ношением двух поли ая длительност реализует представ- омов перТаким функциона ленные от м Т и длитель ИМ-сигнала с периью импульсов 7; ное по ислу кодов и времяимпульсное по всем частотно-импульсным цепям, благодаоя чему увеличивается порядок апи ро ксимирующего дробно-рационального выражения и создается возможность более 5 простого и точного вычисления тангенсной функции.В качестве схемы сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования, в контуре обратной связи используется реверсивный 010 счетчик б, с помощью которого выполняется, во-первых, суммирование импульсных потоков, во-вторь 1 х, вычитание и, в-третьих, интегрирование полученной разности с выда 15 чей результата в виде двоичного кода. Кроме 5 главного контура отрицательной обратной связи на основе счетчика б, здесь имеется дополнительный - на основе счетчика 5,Условием динамического равновесия у тстройства является равенство приращений 02 п кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода следования ШИМ-сигнала аргумента, т,е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступаю щих на суммирующие и вычитающие входы реверсивных счетчиков тих импульсных послеределяются соответстными характеристиками и 1 Тт (1 Т+ т), 3 02, при ЗсТ+ з, х (К+1) 3 с - 0,1,2;п - разрядность преобразователей кодчастота.Так как в интервалах времени КТт(3 Т+ т) среднее значение частоты импульсной последовательности, подаваемой на преобразователь 2 код-частота, определяется из выраженияоз 3=Ф ч) - Иг,2 п то импульсная последовательность, поступающая на суммирующий вход счетчика б, характеризуется следующим средним значением частоты 1 М, при КТт - (КТ+ т т 02 2 п оз Зч 3 г 1 Кч = - Зч 3 г 2(1 - ч) 2 п/1г вой и второй степени относительно аргумента ч соответственно, благодаря чему может быть произведен широкий набор тригонометрических функций.В качестве примера для получения тан генсной зависимости достаточно задаться следующим отношением опорных частот:1 о 2 = 1 оз,Ото 1 = то 4 = пщ 1 г 1 о 2,10 где пт = 1,8015.Тогда.- Гтч+ (м+ %1(,- мЛ(-1(г+т) т+ в 1-чЭто выражение, как известно, при 25 данном значении гп является аппроксимацией тангенсной зависимости в диапазоне 0чО 9999 с методическойпогрешностью М 0,008 о,Таким образом, по точности функционального кодирования ШИМ-сигналов согласно тангенсной зависимости предлагаемоеустройство превосходит прототип не менеечем в 6,8 раза, за счет обеспечения сниженияметодической погрешности,Одновременно предлагаемое устройство существенно проще прототипа, таккак позволило отказаться от использования ряда блоков прототипа (одного преобразователя код-частота, трех кодовыхумножителей, одного вычитателя и одного 45элемента ИЛИ), а вместо этого добавилисьлишь один элемент НЕ и один элемент И.Приведем количественную оценку упрощения устройства, например, для 16 разрядных структур; ориентируясь на единицу 50отсчета по сложности и конструкторско-технологической реализации - одна среднемасштабная интегральная схема (1 СИС),На указываемой ранее элементной базекаждый из следующих элементов реализуется на 4-х СИС: преобразователь код-частота (Еод = 4), счетчик ст 2 = 4),сумматор-вычитатель (Ьць = 4), Мультиплексор реализуется в прототипе на 16 разрядов, т,е. также требует 4-х СИС (Ь,цх 16 = 4),а в заявляемом устройстве достаточно двух- разрядного мультиплексора, т.е. 1-й СИС (Ьцх 2 = 1). Умножители в прототипе могут быть выполнены на БИС К 1802 ВР 4 или К 1802 ВР 5, и можно условно принять, что по сложности и конструкторской технологической реализации 1 БИС соответствует как минимум 4-м СИС (Ьр(. = 4). Элементы малой степени интеграции у прототипа и заявляемого устройства обладают практически эквивалентной сложностью.Таким образом, определим сложность прототипа+1 =21. Следовательно, в сопоставимой конструкторской технологической среде проектирования имеет упрощение заявляемогоустройства по сравнению с прототипом более чем в 2 раза, Естественно, что в другойконструкторско-технологической среде проектирования, например, на основе базовогоматричного кристалла или в виде специализированной интегральной схемы, полученное соотношение или сохраняется, илиизменяется несущественно.Предлагаемое устройство является к тому же простым и технологичным, из-за существенно более простой трассировки,связанной с меньшим числом шинных связей между блоками устройства, а также между входом и выходом,Число этих линий связи (на схемах шинные линии выделены как групповые по ГОСТ2,751-73, т.е, представлены двойной-тройной толщиной) для прототипа. равно. 16, адля предлагаемого устройства 5, откудавидно, что произошло упрощение устройства по шинным связям более чем в 3 раза,Кроме того, уменьшилось и число пересечений шинных связей с однопроводнымилиниями связи, что также упрощает трассировку и повышает технологичность устройства.Важным достоинством заявляемого устройства для вычисления тангенса являютсяего более широкие функциональные возможности, Это предопределено возможностьюполучения двух разных и самостоятельныхфункциональных характеристик,Например, одновременно с получениемтангенсной зависимости на первом выходеустройства, на его втором выходе при тех жесоотношениях опорных величин можно пол 1734091 12т 01= т 03 т 02= т 04 ПОЗА Таким образом, предлагаемое устрой ство по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности, что приведет и к расширению области его применения.В результате сокращения затрат обо рудования и шинных связей повысилась и надежность устройства, численные характеристики которой будут зависеть от способа технологической реализации,Стоимость предлагаемого устройства 3 ниже стоимости прототипа при одинаковых условиях производства, что обусловлено сокращением затрат оборудования не меньше чем в 2 раза и исключением более чем в 3 раза шинных связей, 4Таким образом, предлагаемое устройство является к тому же более однородным, а при сопоставлении в единой конструкторско-технологической среде проектирования будет иметь меньшие габариты и вес.4 учить множительно-длительную зависимость77 Ео" Еоа -Ч)+ Еоа Ч+ Ео (1-ч 7Еч Ео 1-ч)аЧ+, -ч 7 ". Ч+ Еда(1.4 И .Д(-И Ь +5 Ч+ Ет Р-ч) ь +Оч+ и Р-М и тЧ+т-тлЧ 1-Ч и ич+1- Ч=2 -27ти ЧЧ т т - гп Ч Вч+ Ча при обеспечении исходных соотношенийопорных частот получаем множительно-делительную зависимость вида; формула изобретения Устройство для вычисления тангенса,содержащее с первого по третий преобразователи код-частота, первый элемент И, пер вый и второй реверсивные счетчики икоммутатор, причем выходы первого и второго преобразователей код-частота соединены соответственно с вычитающим входом первого реверсивного счетчика и первым 10 входом первого элемента И, второй входкоторого соединен с управляющим входом коммутатора и входом широтно-импульсного модулированного сигнала аргумента устройства, выход второго счетчика соединен с 15 кодовым входом третьего преобразователякод-частота, первый и второй двухразрядные информационные входы коммутатора соединены со входами соответственно первого и второго коэффициентов аппроксима ции устройства, от л и ч а ю. щ е е с я тем,что, с целью повышения точности и упрощения устройства, в него введены элемент НЕ и второй элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом третьего преобразователя код-частотаи выходом элемента НЕ, вход которого соединен со входом широтно-импульсно модулированного сигнала аргумента устройства, вход кода масштабирующего коэффициента которого соединен с кодовым входом второго преобразователя код-частота, частотный вход которого подключен к выходу первого преобразователя код-.частота, кодовый вход которого соединен с выходом первого ре версивного счетчика, суммирующий входкоторого соединен с частотным входом третьего преобразователя частота-код и с выходом первого разряда коммутатора, выход второго разряда которого соединен с 0 частотным входом первого преобразователя частота-код, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика, выход которого 5 соединен с выходом тангенса устройства.1734091 4 4 Составитель Е,угрюмовактор М.Бокарева Техред М,Моргентал К ор А.Осауленк ателаский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 изводствен Заказ 1670 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета и 113035, Москва, ЖПодписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб., 4/5