Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины

СОЮЗ ООВЕТСНИХОЦЕЛВПНВихРЕСПУВЛИН за) С 06 С 7 12 ЭОБРЕТЕНИЯ СА и снидпвъс л тип д с ГООУДАРСЗМННЫЙ КОМИТЕТ ОООРт МПАЫ ИЗСВВЗЮ и ВПЮЬЮ(56) 1. Бабушкин Ф.М., Рыбашов М.ВОптимальное масштабирование в АВМи ГВС. Минск, "Наука и техника",1976.2. Патент США В 3778607,к . 235"183, опублик. 1.973.3. Заявка Японии Я 49-19341,кл. 97(8), с. 2, 1974.4. Авторское свидетельство СССРВ 815729, .кл. С 06 С 7/12, 1978.5. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3534620/18-24,кл. С 06 С 7/12, 15.01.83 (прото(54)(57) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СМЕНЫ МАСШТАБОВ ДЛЯ АНАЛОГОВОЙ ВЫЧИС 3 ЮТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ, содержащее первый операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое сопротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом уст ройства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого операционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответственно с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации грниц поддиа 80, 1113809 А пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усилите" ля, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу блока формирования границы поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярнымн входами опорного напряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапазона, выходом соединенного с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого операционно-го усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, отличающеес я тем, что, с целью расширения динамического диапазона изменения масштабов, в устройство введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы которых соединены с выходом реверсивного счетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инверти- ,1 Ь рующим входом второго операционного усилителя и его выходом., соединенным с ругой вершиной второй диагонали мо та.1 11138Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к аналоговым вычислительным машинам, и может быть использовано для моделирования динамических систем с большими динамическими диапазонами изменения физических переменных.Одной из важнейших характеристик вычислительных блоков (ВБ) АВМ является динамический диапазон. В совре О менных АВМ он достигает 1 О , но прак" тически снижается до 10-50, из соображений обеспечения точности решения динамических задач .13.Указанное обстоятельство приводит 15 к применению переменного масштабирования и, в частности, автоматической сиены масштабов для моделирования динамических систем с диапазонами изме 4 6 нения физических переменных 1 Ь - 10 20 и более.Известно устройство автоматической смены масштабов, содержащее блоки, анализирующие в цифровой форме исходные дкЯеренциальные управления и 25 рассчитывающие максимальные значения соответствующих переменных пд приближенным формулам 123.Недостаток этого устройства - его сложность, так как оно имеет в своем ЗО составе цифровую машину, а точность вычисления масштабных коэффициентов невысокая.Известно аналоговое вычислительное устройство для вычисления масштабного коэффициента, включающее блок, устанавливающий величину коэффициента, функциональный генератор формирующий логарифмическую Величину масштаб-. ного коэффициента, операционный и 4 О сравнивающий усилители 31. Недостатки такого устройства обусловлены низкой точностью из-за нелинейного логарифмического преобразования, а также сложностью устройства. Известны также устройства автоматической смены масштабов, реализую" щие метод ступенчато изменяющегося масштаба. Этот метод основан на 50 разбиении всего диапазона измерения переменной на поддиапазоны с выбором масштаба переменной на каждом поддиапазоне. При постоянстве коэффициента расширения поддиапазона, равно го отношению максимального значения переменной на данном поддиапазоне к минимальному (в машинной интерпре 09 1 тации это означает отношение максимального напряжения АВМ, где шкала АВМ -верхняя граница, и напряжения нижней границы, например 10 В, т.е. для. АВМ со стовольтовой шкалой 100/10=10) переход иэ поддиапазона в поддиапазон сводится к переводу машинной переменной с верхней границы на нижнюю или наоборот (в зависимости от характера изменения переменной) выставки начального условия на интеграторе и изменения коэффициента передачи.Указанные выше устройства содержат интегратор, блок фиксации границ, блок запрета ложного импульса,реверсивный счетчик импульсов, блоксопряжения 4) .Недостаток указанных устройствмалый диапазон коэффициента переда"чи интегратора (10 - 10 ) и низкая4точность выставки коэффициентов передачи интеграторов при переходе масштабируемой переменной из поддиапазона в поддиапазон. Наиболее близким к изобретению является устройство автоматической смены масштабов для АВМ, содержащееоперационный усилитель, мост, плечикоторого содержат ключи, в одну из диагоналей включена емкость, а другой диагональю он подключен к входу,и выходу операционного усилителя,блок фиксации границ поддиапазона,подсоединенные к выходу операционного усилителя интегратора, блок сопряжения, подсоединенный к выходу блока фиксации границ поддиапазона, реверсивный счетчик импульсов, подсоединенный к блоку сопряжения, переключатель, подсоединенный к выходамреверсивного счетчика импульсов,два цифроуправляемых сопротивления,блок задания кода и сумматор 51.Недостаток данного устройства заключается также в .малом диапазоне выставляемых значений коэффициента передачи интегратора (10 ), что сужа 5ет возможности. масштабирования физической переменной, изменяющейся в более широких пределах. Цепь изобретения - расширение динамического диапазона изменения масштабов.Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины, содержащее первый. у поддиап.сРезисторс 1 1 0 0 1 1 0 ь а ав аа, ав а, кл ал Схема комму ации"в й аВ 1010 10 1 О 1 Ол мены 55 реверсивный счетчик 4 импульсов, блок ерацион задания кода, цнфроупраэляемое соп ии гра- ротивление 6, ключи 7-10, переключаяжения, тель 11, блок 12 формирования граниУстройство ав масштабов (фиг. ный усилитель 1, ниц поддиапазона оматическоиз 1113 операционный усилитель, вход которого через первое цифроуправляемое соп.ротивление, управляющим входом подключенное к выходу первого блока задания кода, соединен с входом устрой ства, четыре ключа, включенные в плечи моста, в одну диагональ которого включен интегрирующий конденсатор, одна из вершин второй диагонали моста подключена к входу первого опера ционного усилителя, а управляющие входы ключей противоположных плеч моста соединены попарно соответствениь с первым и вторым импульсными выходами блока фиксации границ подциа :пазона, вход которого подключен к выходу первого операционного усили,теля, а потенциальный выход соединен с входом блока сопряжения, выход которого подключен к первому входу бло ка формирования границ поддиапазона и через реверсивный счетчик соединен с управляющим входом переключателя, сигнальные входы которого являются разнополярными входами опорного нап ряжения устройства, а выход подключен к второму входу блока формирования границ поддиапаэона, выходом соединенного с первым входом сумматора,809 фвторой вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход является выходом устройства, причем управляющий вход блока формирования границ поддиапазона соединен с выходом блока задания кода, введен второй операционный усилитель и второе и третье цифроуправляемые сопротивления, управляющие входы. которых соединены с выходом реверсивного начетчика, первое цифроуправляемое сопротивление включено между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго опера ционного усилителя, а второе цифроуправляемое сопротивление - между инвертирующим входом второго операцион-. ного усилителя и его выходом, соединенным с другой вершиной второй диа," гонали моста.На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - процесс масштабирования произвольной функции; на фиг. 3 и 4 - блок-схемы отдельных узлов. В таблице показаны эначенйя коэффициента передачи интегратора для различных номеров поддиапаэонов.5 111380цы поддиапазона, блок 13 задания кода, сумматор 14, операционный усилитель 15; входное цифроуправляемое соп.ротивление 16, цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи, интег- . 5рирудций конденсатор 18.Ба чертежах приняты следующиеобозначения: Е- максимальное напряжение линейной зоны вычислительного блока (интегратора) - шкала АВМф 10Оо - опорное напряжение, 7 - вход-.ная.машинная, переменная, Х - выходная машинная переменная;- промежуточная машинная переменная.Блок 2 Фиксации границ поддиапаэона (Фиг. 3) содержит два компаратора 19, два разделительных диода 20и триггер 21, Выходы компараторов 19подсоединены к блоку З.сопряжения,а выходы триггера 21 - соответственно на управляющие входы ключей 8 и10, 7 и 9,Блок 3 сопряжения (фиг. 3) содер"жит два многовходовых логических элемента ИЛИ 22, к входам которых подсоединены выходы соответствующих эле.ментов других устройств автоматической смены масштабов, производящихавтомасштабирование по переменным,функционально связанных с масштаби- зоруемой переменнойПереключатель 11 (Фиг. 3) содержитдва многовходовых логических элемента ИЛИ 23, управляемый ключ 24, например, и/с серии 590,35Блок 12 формирования границы поддиапазона содержит - разрядную резистивную матрицу К -2 Й 25, логическиеэлементы ИЛИ 26, и И 27.Блок 13 задания кода содержит набор тумблеров 28, выходы которых подсоединены к логическим элементамИ 27, а входы их подсоединены к положительному (это зависит от типа мик-росхем, используемых в блоке 12) полюсу источника опорного напряжения.Данный блок осуществляет задание кода, преобразуемое блоком 12 Формирование гарницы поддиапазона в постоянное напряжение, соответствующее границе поддиапазона,Цифроуправляемое сопротивление 16 и цифроуправляемое сопротивление 17 обратной связи содержат резисторы 29 К- Кь, и ключи 30. Эти блоки представляют собой реэисторные секции, состоящие соответственно из резисторов К- Й и К 1 -Й, каждый Ре. 9 6зистор кроме Йи Вз шунтирован ключом 30, который в нормальном положении замкнут. Резисторы выбираются такого номинала, чтобы обеспечить кратное порядку изменения коэффициента передачи интегратора при переходе машинной переменной в соседнийподдиапазон.Блок 5 задания кода (Фиг, 4) содержит логические элементы И 3 и набор тумблеров 32. Количество тумблеров определяется разрядностью резистинной матрицы К -2 К 33 цифроуправляемого сопротивления 6, например, м/с серии 301.Ключи 7-10 могут быть выполнены, например, на полевых транзисторах.Устройство автоматической смены масштабов для аналоговой вычислительной машины работает следующим образомВ зависимости от характера изменения машинная переменная АВМ может пересекать границы поддиапазона +Еда и -Е ,о (фиг. 2). Факт пересечения машинной переменной одной из границ служит началом процесса смены масштабов. Этот момент фиксируется блоком фиксации границ поддиапазона (фиг.1). Пусть промежутчоная машинная переменнаявозрастает (Фиг. 2) и в момент фС пересекает +Е . Сравнение машинной переменной с выхода операционного усилителя 1 интегратора с напряжением границы +Епроисходит на компараторе 19, на выходе которого образуется импульс, проходящий через разделительный диод 20 на счетный выход триггера 21 и на вход блока 3 сопряжения (фиг. 2). Переход триггера 21 в противоположное состояние вырабатывает сигнал управления для пар ключей 7, 9 й 8, 10. Это приводит к тому, что, например, пара ключей 8, 10 закрывается, пара 7, 8 открывается. При таком переключении ключей конденсатор 18 оказывается включенным "наоборот", т.е. вместо напряжения +Ена выходе операционного усилите. ля 1 интегратора оказывается напряжение -Ед,. Поскольку масштабируемая переменная возрастает, то дальнейший процесс ее изменения происходит от -Е 1 . Одновременно импульс с компаратора 19 поступает на вход логического элемента ИЛИ 22 блока сопряжения. По другим входам этого логического элемента поступают сигналы от других устройств автоматической смены масштабов, с которыми Функционально связана масш11138 табируемая переменная. Сигналы с выхода логических элементов ИЛИ 22 поступают на вход реверсивного счетчикаимпульсов 4, вызывая изменение егосостояния. Выходы логических элементов ИЛИ 22 образуют шины сложения ивычитания реверсивного счетчика импульсов 4, т.е. поступающая информа-ция по этим шинам производит переключения выходов реверсивного счетчика(сложение) или отрицательных (вычитание) номеров поддиапазонов (фиг. 3).Предположим, что машинная переменнаяпереходит в момент смены масштабов 15из нулевого поддиапазона в первый,пульса по шине сложения). При этомдля масштаба переменной на нулевомподдиапаэоне заранее был рассчитан 20коэффициент передачи, выставляемыйна резистивной матрице Н -2 К 33 цифроуправляемого сопротивления 6 с помощью блока 5 задания кода (фиг. 4).Эта операция осуществляется с помощью комбинации включения тумблерв32 и подачи напряжения + Ооп на входысоответствующих логических элементовИ 31, по другим входам которых этонапряжение присутствует постоянно. ЗОДля резистивной матрицы В - 2 К 33;содержащей 10 разрядов, значение коэффициента передачи К (при коэффициенте передачи интегратора Кк равном 1, что соответствует нулевому под-З 5дипазону), может быть выставлено вдиапазоне значений от 0,001 до 1.Таким образом, общий коэффициент пере.дачи интегратора определяется, какКп = К К. Изменение К может бытьосуществлено в процессе решения изменением К, что связано с переходоммасштабируемой из поддиапазона вподдиапазон и соответствующим изменением масштаба этой переменной на порядок. Переход переменной в первый поддиапазони связанное с этим появление импульса по шине сложения на выходе реверсивного счетчика импульсов 4 приводит к изменению состояния его выходов. На выходе, соответствующем первому поддиапазону, появляется сигнал, который приводит к срабатыванию ключа 30 и расшунтировке резистора Ц, (см, таблицу - схему коммутации, в таблице принято: 1 - нормальное замкнутое положение ключей 09 830; 0 " рабочее разомкнутое положение ключей). При расшунтировке Йизменяется коэффициент передачи интегратора с 1 на 10, при выбранньи, например, значениях номиналов резисторов:К= О, 01 М, В О, 09 М,Е =О, 9 М, К, Ж, .В 1,= 0,01 М. Аналогично будут происходить подключения других резисторов управляемых сопротивлений 17 и 16 обратной связи и соответствующее этим подключениям изменения коэффициента К в зависимости от номера поддиапа" зона. Выходы положительных поддиапазонов реверсивного счетчнка импульсов 4 подсоединены к логическому элементу ИЛИ 23 а отрицательных - к элементу ИЛИ 23. Выходы этих элементов подсоединены к управляемому ключу 24. Выход нулевого поддиапазона не подключен к логическим элементам ИПИ 23. Это означает, что при прохождении масштабируемой переменной в нулевом поддиапазоне на вход управляемого ключа 24 сигнала переключения не поступает. Как только масштабируемая переменная переходит в другой поддиапазон, например в первый, что соответствует появлению сигнала на выходе реверсивного счетчика 4 импульсов, на выходе логического элемента ИЛИ 23 появляется сигнал, приводящий к срабатыванию управляемого ключа .24. При срабатывании управляемого ключа 24 производится коммутация одного из полюсов источника опорного напряжения О. В частности, если масштабируемая переменная положительная, то коммутируется - Оо и наоборот. Смена знака полярности Опроисходит только при переходе масштабируемой переменной через нулевой поддиапазон. С выхода управляемого ключа 24 напряжение поступает на вход резистивной матрицы й -2 К 25 блока 12 формирования границы поддиапазона. К каждому разряду этой матрицы подсоединены выходы логических элементов И 27. На один иэ входов этих логических элементов подсоединены соответственно выходы тумблеров 28 блока 13 задания кода. Код числа, определяющего значение границы поддиапазона, задается включением соответствующих тумблеров 28, с помощью которых на входы логических элементов И 27 подается поло-жительное напряжение Ор . К другимвходам логических элементов И 27 подсоединен выход логического элемента ИЛИ 2 б блока 12 формирования границы поддиапазона. Появление сигнала на любом из входов логического элемента ИЛИ 26 приводит к появлению сигнала на входах логических элементов И 27, что обеспечивает передачу кода числа, выставленного на тумблерах 28 для под; ключения соответствуюпри разрядов ре 0 зистивной матрицы 25. Поскольку вхо-, ды логического элемента ИЛИ 26 подсоединены к выходам логических элементов ИЛИ 22, на выходах которых образуется. сигнал при нахождении мас штабируемой переменной в одном из поддиапазонов, кроме нулевого, то в резистивной матрице-2 8 25 разряды, определяемые выставленным кодом, будут соответственно включены для всех поддиапазонов, за исключением нулевого. Подача напряжения на вход этой матрицы приводит к образованию напряжения границы, подаваемого на сумматор 14, по другому входу которого поступает напряжение с выхода операционного уснлител 1 интегратора. В результате сложения двух напряжений образуется масштабированная,машин ная переменная Х , изменяющаяся в1 выставленных границах.Таким образом, в предлагаемом устройстве расширяется динамический диапазон интегратора за счет введения в обратную связь операционного усилителя с управляемыми сопротивлениями в обратной связи и на входе. При таком схемном решении и значениях резис. торов, приведенных в качестве примера, динамический диапазон интегратора на два порядка больше чем у прототипа.Кроме того, при учете динамического диапазона цифроуправляемого сопротивления, равного 10, общий динамический диапазон интегратора будет 10,. что позволяет моделировать широкий класс динамических объектов.