Аналоговый решающий узел

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11849244 Союз Советски кСоциалистически кРеспублик(51)М. Кл, Ь 06 5 7/46 Государственный комитет Опубликовано 23.07.81, Бюллетень Рй 27 ио делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 25 .07 . 8 Ю. И. Дзибалов, А. И. Копотилов, И. Г. твииенКозА. Т. Лукьянов и В. И. Щербак/с Казахский ордена Трудового Красного аменигосударственный университет им. С. МКирова(54) АНАЛОГОВЫЙ РЕШАЮЩИЙ УЗЕЛ Изобретение относится к аналоговым вычислительным устройствам, предназначенным для решения дифференциальных уравнений с использованием реэистивных сеток.Известен резистивно-емкостной ре 5шающий элемент, содержащий резистор,конденсатор, плоскую проводящую средуи источник питания 111,Однако данное устройство не обес 1 Опечивает высокую точность решениядифференциальных уравнений.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности является устройство для аналогового моделирова 15ния задачи теплопроводности, решающийузел которого содержит операционныйусилитель, два конденсатора, резистор и три ключа 21,Недостаток известного узла заключается в том, что отсутствует входной операционный усилитель. Включение входной клеммы узла в резистивную сетку беэ входного операционного усилителя вызывает искажение аналогового сигнала, что приводит к возрас.танию погрешности, а также увеличивает время записи напряжения иэ резисторной сетки в конденсаторы памяти. В схеме решающего узла предусмотрена статическая коррекция погрешности, в то время как смещение и температурный дрейф нуля операционного усилителя имеют характер постоянно изменяющейся во времени величины. Коррекция статического типа позволяет избавиться от погрешности лишь частичнои требует периодической ручной настройки. Каждый из двух конденсаторов памяти после записи величинынапряжения вначале отключается отвходной клеммы узла, а затем подключается к входу операционного усилителя. В результате импульсных помех,возникающих при коммутации, появляется дополнительный источник помех, искажающих величину напряжения,записанного на обкладках конденса3 849тора. Включение сумматора для иммита-,ции постоянного источника тепла вкаждый решающий узел не является необходимостью.Кроме того, узел предназначендля решения только одномерных задач ине позволяет осуществить аналоговыевычисления для двух- и трехмерныхмоделей.Цель изобретения - повышение точности вычислений,Поставленная цель достигается тем,что в узел, содержащий первый операционный усилитель, первый и второйзапоминающие конденсаторы, корректирующий резистор, первый, второй и третий ключи, дополнительно введены ключи, два операционных усилителя, управляемый резистор, интегратор имасштабирующие резисторы, причем неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с переключающим контактом первого ключа, замыкающий контакт которого соединен сшиной нулевого потенциала, размыкающий контакт первого ключа подключенк переключающему контакту второгоключа, размыкающий контакт которогосоединен с входом узла, размыкающийконтакт второго ключа подключен квходу промежуточных решений, выходпервого операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первогооперационного усилителя и через замыкающие контакты третьего и четвертогоключей соответственно с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, неинвертирующийвход второго операционного усилителячерез замыкающий ,контакт пятого ключа подключен к первой обкладке первого запоминающего конденсатора,вторая обкладка которого соединена сшиной нулевого потенциала, неинвертирующий вход четвертого операционногоусилителя через замыкающий контактшестого ключа подключен к первойобкладке второго запоминающего кон -денсатора, вторая обкладка которогосоединена с шиной нулевого потенциала, инвертирующнй вход второго опе- .рационного усилителя подключен к переключающему контакту седьмого ключа, замыкающий контакт которого соединен сзамыкающим контактом восьмого ключаи первым выводом резистора, второйвывод которого подключен к шине нулевого потенциала, инвертирующий 244 фвход третьего операционного усилителясоединен с переключающим контактомвосьмого ключа, размыкающий контакткоторого подключен к выходу третьего операционного усилителя, замыкаю 5щему контакту девятого ключа, и череззамыкающий контакт десятого ключаподключен к входу интегратора, входкоторого через замыкающий контактодиннадцатого ключа подключен к размыкающему контакту седьмого ключа,выходу второго операционного усилителяи размыкающему контакту девятогоключа, переключающий контакт которогосоединен с выходом узла и через замыкающий контакт двенадцатого ключасоединен с входом узла, входной ивыходной вывод управляемого резисторавключены в цепь коррекции погреш 20 ностей смещения нуля первого операционного усилителя, управляемый электрод управляемого резистора подключенк выходу интегратора, дополнительныйвыход узла соединен с выходом третье 25 го операционного усилителя, выходы второго и третьего операционных усилителей через соответствующие масштабирующие резисторы соединены с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей соответственно.На фиг,изображена схема аналогового решающего узла; на фиг. 2эпюрыимпульсных напряжений управу ления процессами решения, коррекциипогрешности и изменения режимов;нафиг. 3 - схема подключения решающего узла в резистивную сетку и к внешним устройствам.40 Решающий узел содержит первый 1,второй 2 и третий 3 операционные усилители, интегратор 4, ключи 5-1 б,конденсаторы 17 - 19 .масштабирующиерезисторы 20 н 21, резистор 22 .и45 управляемый резистор 23,На эпюрах, приведенных для ключей .5-16, положение с "низким" уровнемсоответствует нормальной коммута,ции подвижных контактов ключей, а свысоким" -противоположной,На шкалеобозначены . характерные моментывремени в процессе управления решающим узлом.Решающий узел 23 подключен своей55 клеммой Вход" в резистивную сетку24 в точке с напряжением О ,а клемн нр,м 1мой Выход - к точке с напряжением1,1 , где о - порядковый номер поп,кВ момент времени Ь возникает необходимость произвести переход в режим поиска решений по методу расщепления. С этой целью на ключ 16 подается "низкий" уровень, на ключ 6 периодически подается высокий" или "низкий" уровень, причем высокий уровень на ключе 6 присутствует одновременно с "высоким уровнем" на ключе 7, Последнее относится к "низкому" уровню на этих ключах. При этом на 5 8492пространственной координате сетки, кпорядковый номер по временным слоям.искомого решения,Ц,. ,О - значенияи-;+1 ич,сннапряжения в соседних пространственных,точках сетки. 5Клемма "Промежуточные решения"подключена через ключ 25 к источнику 26 напряжения начального условия,через ключ 27 - к источнику 28 напря.жения граничного условия, через ключ 1 О29 - к выходу ОЗУ 30. Клемма "Дополнительный выход" через ключ 31 подключена к входу ОЗУ 30.Работа решающего узла начинаетсяс момента времени о в режиме вводаначальных условий. "Высокий" уровеньподается на ключи 5,6,7,10,11 и 15.В результате, входной операционныйусилитель 1 с заземленным входом соединяется в последовательную цепь свыходйым операционным усилителем 2,который переводится в режим усилителя е коэффициентом усиления к =- И,и его выход отключается от клеммы"Выход".25В момент времени "высокий" уровеньподается на ключ 13. При этом последовательная цепь из операционныхусилителей 1 и 2 замыкается в кольцообратной связи через интегратор 4и резистор 23. В течение времени- С. происходит коррекция погрешности пары операционного усилителя 2.В момент времениФ на ключ 13 по 1 .11Хдается "низкий. уровень и кольцо обрар ной связи разрывается. Напряжение коррекции сохраняется на последующеевремя на конденсаторе 19.цВ момент времени Ънизкий уро 3вень подается на ключи 5 и 11, а"высокий" - на ключ 9. При этомоперационный усилитель 2 возвращается в режим с единичным коэффициентомусиления и к его входу подключается конденсатор 17. Вход операционногоусилителя 1 подключается к клемме"Промежуточные решения", на которуюподано через ключ 25 напряженйе начального условия с источника 26.В течение времени Ф =Ь происходит50запись величины напряжения начальногоусловия в конденсатор 17.В момент времени б "низкий" уровеньподается на ключ 7, при этом раэры 55вается связь между операционными усилителями 1 и 2.В момент времени .Ь 5 "высокий"уровень подается на ключи 5,8 и 12,44 6а "низкий" уровень подается на ключи6,10 и 15. При этом происходит объединение в пару входного усилителяивыходного усилителя 3, а выход операционного усилителя 2 соединяется склеммой "Выход". Напряжение начального условия начинает транслировать"ся в точку Ц, (при к=0)резистивной сетки 24. Далеепроисходит коррекцияйары операционных усилителей 1 и 3 спомощью интегратора 4 идентично с предьдущей парой, Начиная с 6 до.Ьпроисходит запись на конденсатор 8напряжения О, (приК +1 =1) с клеммы "Вход".Момент времени й 8 идентиченмоменту времени йза исключениемналичия "низкого" уровня на ключ 6,что влечет запись на конденсатор 17с клеммы "Вход" очередного решенияОипри к+1=2), полученного поФтранслируемому в сетку 24 напряжениюс выхода операционного усилителя 3.Повторение в необходимом количествеэтого цикла позволяет получить все крешений для данной пространственнойкоординаты и,В момент времени С 9 .,возникаетнеобходимость точку с пространственной координатой п сделать граничной.С этой целью подается высокий уроИвень на ключи 6 и 16, при этом навход операционного усилителя 1 подключается клемма "Промежуточные решения", на которую подается через ключ29 напряжение граничного условия изисточника 28, а клемма "Выход" соединяется с клеммой "Вход". В остальномсхема продолжает функционировать какв режиме нахождейия решений.В результате, в период времениЬ 9- ,пока. точка с координатой и резистивной сетки 24 является граничной, туда из решающего узла постоянно транслируется напряжение, равноепо величине. напряжению на источнике28.784924 ОЗУ аналоговая информация подается только на конденсатор 17 усилителя 2 и постоянно транслируется на клемму "Выход". Полученное на реэистивной сетке 24 напряжение нового решения поступает на клемму "Выход", откуда оно подается только на конденсатор 18 усилителя 3 и постоянно транслируется на клемму "Дополнительный выход". С этой клеммы через 1 О ключ решения вновь заносится в ОЗУ.Благодаря высокоомному входу решающий узел имеет практически полную гальваническую развязку с резистивной сеткой и не вносит искажений в фор мирование сеткой аналоговой величины.Наличие входного усилителя позволяет широко варьировать номинальные величины составляющих сетку резисторов, при этом время записи результата 20 вычислений из сетки в решающий узел остается неизменным или может быть.независимо изменено,После записи результата на конденсатор памяти происходит только одно 25отключение конденсатора от выходавходного операционного усилителя;Подключение конденсатора к входу выходного усилителя осуществляется в решающем узле заблаговременно. Сведение ЭОк минимуму коммутационных переключений,искажающих аналоговую величину,приводит к дополнительному повышениюточности.В схеме решающего узла усилители 15искажают аналоговую величину сигнала за счет наличия у них смещения нуляи дрейфа его величины во времени.Для организации коррекции используется особенностЬ работы двух выходных операционных усилителей, поочередная запись напряжения в ихконденсаторы памяти из сетки и поочередная в противоположной фазе)трансляция ими этого напряжения на 45резистивную сетку. Например, есливторой выходной усилитель транслируетнапряжение в сетку, вход третьегосоединяется с выходом первого вход-ного усилителя. Цепь из первого и 5 Отретьего усилителей замыкается навремя коррекции в кольцо отрицательнойобратной связи интегратором, Сигналнапряжения с выхода интегратора постоянно подается на управляемый резис тор, который включен в цепь коррекциинуля входного операционного усилителя.Так как в это время первый усилитель 4 8заземляется по входу, а третий переводится в режим усилителя с к=1000, происходит автоматическая отстройка суммарного смещения нуля у этой пары усилителей.Выработанное напряжение коррекции нуля запоминается в интеграторе и после разрыва цепи обратной связи. Через откорректированную пару происходит вначале запись напряжения из резистивной сетки на конденсатор, а затем после отключения .входного БУ трансляция этого напряжения в сетку. При этом входной операционный усилитель образует новую корректируемую пару с вторым выходным усилителем и все процессы в новой паре аналогично повторяются.В решающем узле выход промежуточ ных решений несет совмещенную функцию. Коммутацией ключей схема перево. дится в режим задания граничных условий. В результате на входе в,нужный момент времени можно задавать напряжение, соответствующее по величине граничному условию. Возможностью такой коммутации обладает каждый решающий узел резистивной сетки, что позволяет автоматически изменить масштаб в процессе аналогового вычисления.Изобретение позволяет при минимуме дополнительных аппаратурных затрат достигнуть значительного увеличения точности. Формула изобретенияАналоговый решающий узел, содержащий первый операционный усилитель первый и второй запоминающие конденсаторы, резистор, первый, второй и третий ключи, отличающийсятем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены ключи,два операционных усилителя, управляемый резистор, интегратор и масштабирующие резисторы, причем неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с переключающим контактом первого ключа, замыкающий контакт которого соединен с шиной нулевого потенциала, размыкающий контакт первого ключа подключен к переключающему контакту второго ключа, замыкающий контакт которого. соединен с входом узла, размыкающий контакт которого соединен с входом9 8492 узла, размыкающий контакт второго ключа подключен к выходу промежуточных решений, выход первого опера.ционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и через замыкающие контакты третьего и четвертого ключей соответственно с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, неинвертирующий 10 вход второго операционного усилителя через замыкающий контакт пятого ключа подключен к первой обкладке первого запоминающего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя через замыкающий контакт шестого ключа подключен к первой обкладке второго запоминающего конденсатора, д вторая обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к переключающему контакту седьмого ключа, замыкающий 25 контакт которого соединен с замыкающим контактом восьмого ключа и первым выводом резистора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала, инвертирующий 30 вход третьего операционного усилите-.ля соединен с переключающим контактом восьмого ключа, размыкающий контакт которого подключен к выходу третьего операционного усилителя, за 44 10мыкающему контакту девятого ключа, ичерез замыкающий контакт десятогоключа подключен к входу интегратора, вход которого через замыкающий контакт одиннадцатого ключа подключен к раэмыкающему контакту седьмогоключа, выходу второго операционногоусилителя и размыкающему контактудевятого ключа, переключающий контакткоторого соединен с выходом узла ичерез замыкающий контакт двенадцатого ключа соединен с входом узла,входной и выходной вывод управляемогорезистора включены в цепь коррекциипогрешностей смещения нуля первогооперационного усилителя, управляемый вывод управляемого резистораподключен к выходу интегратора, дополнительный выход узла соединен с выходомтретьего операционного усилителя, выходы второго и третьего операционныхусилителей через соответствующиемасштабирующие резисторы соединены синвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей соответственно.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРВ 444212, кл, 6 06 6 7/40, 1978.2. Аналоговое моделирование задачтеплопроводности с помощью электрической резистивной цепи и аналоговойпамяти, -Меа.Ие Епд.Коойо Оп 1 ч, 1977,39, В 11-15 (прототип).849244 Ы,н В "а,н ам,к 1 Корниенко аэ 6096 65 Тираж 745 ВНИИПИ Государственного комите пб делам иэобретений и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская Подписно аб., д. ППП Патент , г. Ужгород, ул. . Проектна Составитель Л, Тереховактор Г, Кацалап Техред А. Савка Корре