Устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 01) ЭСЮ С И 30 БРЕТЕНИ ПИС ЕТЕЛЬСТВ АВТОРСКОМ(61 (21 (22 (46 елью дены ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт электродинамикиАН УССР(56) 1. Авторское свидетельство ССМ 1043677, кл. С 06 Р 7/556, 1982(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯПОКАЗАТЕЛЯ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ФУНКЦИИпо авт.св. У 1043677, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цповышения точности, в него ввепреобразователь аналог - длительность импульса, делитель частоты,элемент ИЛИ, четвертый элемент Ии элемент задержки, причем информационный вход устройства соединенс информационным входом преобразователя аналог - длительность импульса, выход которого подключен к четвертому .входу первого элемента И,прямой выход первого КЯ-триггерасоединен через элемент задержки спервым входом четвертого элемента Ивыход которого подключен к информационному входу делителя частоты,выход которого соединен с первымвходом элемента ИЛИ, выход которогоподключен к входу запуска преобразователя аналог - длительность импульса, инверсный выход второгоКБ-триггера соединен с вторым входом четвертого элемента И, третийвход которого подключен к выходувторого ключа блока управления,установочный вход делителя частотысоединен с выходом первого ключаблока управления, выход первого генератора одиночных импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ50 1 11296Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных областях техникии промышленности при исследованиипроцессов различной физическойприроды, которые описываютсяэкспоненциальной функцией,По основному авт.св. У 1043677известно устройство, содержащеепервый и второй пороговые элемен-.ты, первый КЯ-триггер, причемпервые входы первого и второгопороговых элементов соединены синформационным входом устройства,гвторой вход первого порогового элемента соединен с входом первогоэталонного напряжения устройства,вход второго эталонного напряжениякоторого соединен с вторым входомвторого порогового элемента, первыйи второй генераторы одиночных импульсов, второй Рб-триггер, триэлемента И, счетчик, блок индикации, два сумматора, два регистрасдвига и блок управления, содержащий генератор импульсов, распреде -литель импульсов, элемент задержкидва ключа, коммутатор, два элемента ИЛИ, последовательную схемусравнения и два элемента И, выходгенератора импульсов соединен свходом распределителя импульсов,выходы с первого по ь-й которого,где п в , разрядно гь регистров сдвига, соединены с информационными входами коммутатора, управляющий входкоторого соединен с входом кода останова блока, выходы коммутатора через первый элемент ИЛИ соединены спервым информационным входом последовательной схемы сравнения, входсброса и тактовый вход которой соединены соответственно с выходом элемента задержки и выходом генератораимпульсов, о-й выход распределителя импульсов соединен с первыми входами первого и второго элементов И,вторые входы которых соединены свыходами соответственно равенства чпревышения эталонного кода последовательной схемы сравнения, выходыпервого и второго элементов И соеди-.нены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом первого ключа,информационный вход которого соеди-.,нен с выходом генератора импульсов,и-й выход распределителя импульсовчерез элемент задержки соединен с 11 2информационным входом второго ключа,управляющие входы ключей соединеныс входом задания режима блока управления, причем выход второго ключаблока управления соединен с тактовыми входами первого и второго генераторов одиночных импульсов, входызапуска которых соединены с выходами соответственно первого и второгопороговых элементов, выходы генераторов одиночных импульсов соединеныс 5-входами соответствующихР 5 в триггер, Р-входы которых соединены с выходом второго элемента ИЛИблока управления, выход первого разряда распределителя импульсов которо -го соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторыевходы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходамивторого Р 5 -триггера, инверсныйи прямой выходы первого Р 5-триггера соединены соответственно с управляющими входами регистров сдвигаи третьим входом первого элемента И,выход которого. соединен с первымвходе. первого сумматора, выходкоторого соединен с информа 1ционным входом первого регистра сдвига и первым входом третьего элемента И, второй вход и выход которогосоединены соответственно с прямымвыходом второго Й 5 -триггера ипервым входом второго сумматора, выход которого соединен с информацион -ным входом второго регистра сдвигаи вторым информационным входомпоследовательной схемы сравнения блока управления, выходы первого ключаи генератора импульсов которого соединены соответственно с установочным входом счетчика и входами синхронизации первого и второго регистровсдвига, выходы и установочные входыкоторых соединены соответственно свторыми входами соответствующих сумматоров и входом логического нуляустройства, выход второго элемента И соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен свходом блока индикации 13Недостатком этого устройства является ограниченная точность вычисления показателя экспоненциальнойфункции.Цель изобретения - повышение точности,1Указанная цель достигается тем,что в устройство для вычисления по3 11296 казателя экспоненциальной функции дополнительно введены преобразователь аналог - длительность импульса, делитель частоты, элемент ИЛИ, четвертый элемент И и элемент за 5 держки, причем информационный вход устройства соединен с информационным входом преобразователя аналог - длительность импульса, выход которого подключен к четвертому входу 10 первого элемента И, прямой выход первого Р 5 -триггера соединен через элемент задержки с первым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к информационному входу делителя частоты, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу запуска преобразователя аналог - длительность импульса,инверсный выход второго Й 5 -триггера. соединен с вторым входом четвертого элемента И, третий вход которого подключен к выходу второго ключа блока управления, установочный вход д делителя частоты соединен с выходом первого ключа блока управления, выход первого генератора одиночных импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ.30На фнг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - структурная схема блока управления. Устройство (фиг,1) содержит пер- З 5вый и второй пороговые элементы1 и 2, первый и второй генераторы3 и 4 одиночных импульсов, первыйи второй Р 5 -триггеры 5 и 6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый 40и второй регистры 9 и 10 сдвига,счетчик 11, блок 12 индикации,блок 13 управления, первый, второй итретий элементы 14, 15 и 16 И, преобразователь 17 аналог - длительность импульса, делитель 18 частоты,элемент 19 ИЛИ, четвертый элемент 20 И, элемент 21 задержки, информационный вход 22 устройства,входы 23 и 24 первого и второго эта лонного напряжения устройства соответственно.Блок 13 управления (фиг.2) содержит генератор 25 импульсов, распределитель 26 импульсов, коммута тор 27, последовательную схему 28 сравнения,. элементы 29 и 30 ИЛИ, элементы 31 и 32 И, элемент 33 11 4задержки, первый и второй ключи 34 и 35, вход 36 кода останова блока, вход 37 задания режима блока управления, информационный вход 38 блока управления, первую, вторую, третью, четвертую и пятую выходные шины 39, 40, 41, 42 и 43 соответственно.Устройство работаетследующим образом.В исходном состоянии на первом выходе блока 13 управления сигналы отсутствуют, а на втором и четвертом выходах вырабатываются сигналы, которые устанавливают й 5 -триггеры 5 и 6, счетчик 11 и делитель 18 частоты в нулевое состояние. Единичный сигнал инверсного выхода Ф 5-триггера 5 поступает на вход управления регистров 9 и 10 сдвигаи обеспечивает установку их в нулевое состояние, так как их установочные входы подключены к шине логического нуля устройства.В режиме вычисления показателя экспоненциальной функции шины 23 и 24 эталонных напряжений подключают к источникам эталонных напряжений, задающих два уровня эталонного напряжения О и Оа на информационный вход 22 устройства подается аналоговый сигнал, изменяющийся по экспоненциальному закону О=О Р-ай где И - начальное значение входного напряжения", о - показатель экспоненциальной функции", С - время а В.исходном состоянии на выходах пороговых элементов 1 и 2 действуют сигналы логического нуля, Как только входное напряжение, действующее на информационной шине 22, достигает первого уровня эталонного напряжения О,срабатывает пороговый элемент 1, на выходе которого формируется сигнал логической единицы. Выходной сигнал пороговогоэлемента 1. запускает генератор 3 одиночных импульсов, на тактовый вход которого с первого выхода блока 13 управления поступает последовательность импульсов. Выходной импульс генератора 3 одиночных:импульсов устанавливает РЬ-триггер 5 в единичное состояние и через элемент 19 ИЛИ запускает преобразователь 17 аналог - длительность импульса. На прямом выходе РЬ -триггера 5 формируется сигнал. логической единицы,30 Сигнял логической единицы пря-.мого выхода 6-триггера 5 через элемент 21 задержки на длительность тактового импульса, снимает блокиров" "5 ку элемента 20. И, через который на информационный ВХОД делителя 18 частоты поступает последовательность импульсов первого выхода блока 13 управления. Коэффициент деления делителя 18 частоты выбирается таким образом, чтобы период следования выходных импульсов делителя 18 частоты был больше длительности выходного импульса преобразователя 17 аналог - длительность импульса для максимального уровня напряжения на информационном входе 22 устрой 3 11296снимающий блокировку элементов 14 Ии 20 И. Последовательность импульсов,Формируемая блоком 13 управленияна его третьем выходе, поступает через элемент 14 И на первый вход 5сумматора 7, так как на выходе преобразователя 17 аналог - длительностьимпульса формируется импульс, длительность которого пропорциональнааналоговому сигналу, Действующему 10на информационном входе 22 устройства,На первый вход сумматора 7 поступает количество импульсов третьего выхода блока 13 управления, 15пропорциональное длителЬности выходного импульса преобразователя 17аналог - длительность импульса.Сумматор 7 за время о тактов,где Ь - количество разрядов регистра 9 сдвига, по каждому импульсу наего первом входе, увеличивает наединицу младшего разряда двоичныйкод, сдвигаемый под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода .блока 13 управления с выходарегистра 9 сдвига. Последовательныидвоичный код с выхода сумматора 7за время н тактов записываетсяв регистр 9 сдвига под действиемсинхронизирующих импульсов пятоговыхода блока 13 управления. В результате к моменту окончания действия импульса на выходе преобразователя 17 аналог - длительность импульса в регистре 9 сдвига Форми-руется ь -разрядный двоичный код,значение которого пропорциональнотекущему значению напряжения. действующему на информационном входе22 устройства. ства. Поэтому импульс на выходе делителя 18 частоты сформируется послеокончания действия импульса на выходе преобразователя 17 аналогдлительность импульса, Выходнойимпульс делителя 18 частоты черезэлемент 19 ИЛИ вновь запускает преобразователь 17 аналог - длительность импульса, который вновь формирует импульсный сигнал, длительностькоторого пропорциональна текущемузначению напряжения на информационном входе 22 устройства. Напервый вход сумматора 7 через элемент 14 И вновь поступает серияимпульсов третьего выхода блока 13управления, количество импульсовв которой пропорционально длительности выходного импульса преобразователя 17 аналог - длительностьимпульса. Сумматор 7 к двоичномукоду предыдущего значения экспоненциальной функции, сдвигаемому свыхода регистра 9 сдвига под действием синхронизирующих импульсовпятого выхода блока 13 управления,прибавляет количество импульсов,пропорциональное текущему значениюэкспоненциальной Функции, а результат суммирования в вире и-разрядногодвоичного кода записывается, начиная с младшего разряда, в регистр 9 сдвига поддействиемсинхронизирующих импульсов пятоговыхода блока 13 управления. В дальнейшем устройство работает аналогичным образом, а в регистре 9 сдвига накапливается двоичный код, значение которого пропорционально интегралу от аналогового сигнала экспоненциальной функции, действующей на информационном входе 22 устройства. Так продолжается до тех пор, пока не сработает пороговый элемент 2. Последний срабатывает при достижении входного напряжения на шине,22 второго уровня эталонного напряжения 3, В этом случае на выходе порогового элемента 2 Формируется сигнал логической единицы, который запускает генератор 4 одиночных импульсов, на тактовом входе которого действует последовательность импульсов первого выхода блока 13 управления. Выходной сигнал генератора 4 .одиночных импульсов устанавливает 05 -триггер 6 в единичное состояние, при котором сиг7 112961нал инверсного выхода Я-триггера6 блокирует элементы 14 И и 20 И,а сигнал его прямого выхода снимаетблокировку элементов 15 и 16 И.5К моменту установки й 6 -триггера 6 в единичное состояние в регистре 9 сдвига накапливается двоичныйкод, значение которого пропорционально интегралу от аналогового сигнала 1 Оэкспоненциальной функции за интервалвремени между событиями переходавходного аналогового сигнала экспоненциальной функции через первый ивторой уровни эталонного напряжения. 15Так как элемент 14 И блокируетсяй 5-триггером 6 после установки его вединичное состояние, то двогчньпкод регистра 9 сдвига циркулируетбез изменения с выхода на его информационный вход через сумматор 7,а также поступает через элемент 15 Ипоследовательно во времени, начинаяс младшего разряда, на первый, входсумматора .8, на второй вход которого 25под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13. уп-равления сдвигается начальный нулевой двоичный код регистра 10 сдвига.За каждые и тактов работы устройст- ЗОва, где и количество разрядов регистра 10 сдвига, выполняется одинцикл суммирования двоичных кодоврегистра 9 и 10 сдвига, Посколькувыход сумматора 8 соединен с информа 35ционным входом регистра 10 сдвига,то в регистре 10 сдвига накапливается двоичный код, равный произведению количества циклов суммированияна величину двоичного кода регистра 4 О9 сдвига. В это время десятичныйсчетчик 11 выполняет подсчет количества циклов суммирования сумматором 8, так как через каждые итактов на его информационном входедействует импульс третьего выходаблока 13 управления, поступающийчерез элемент 16 И. Так продолжается до тех пор, пока двоичный кодрегистра 10 сдвига не достигнет за 50данного блоком 13 управления двоичного кода,Двоичный код регистра 10 сдвигается под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления через сумматор 8 на вход блока 13 управления. где сравнивается с заданным значением. 8Если двоичный код в регистре 10 сдвига достиг или превысил заданное значение, то блок 13 управления вырабатывает на втором выходе сигнал, который сбрасывает Рб -триггеры 5 и 6 в нулевое состояние, при котором элементы 14, 15, 16 и 20 И блокируются и вычисление показателя экспоненциальной функции заканчивается.В счетчике 11 фиксируется значение показателя экспоненциальной функции, которое индицируется блоком 12 индикации.Блок 13 управления (фиг.2) работает следующим образом.В исходном режиме с помощью ключа 35 шину 39 (первый выход) подключают к шине логического нуля, а ключом 34 подключают выход генератора 25 импульсов к шине 42 (четвертый выход) и к третьему входу элементов 30 ИЛИ, через который выходные сигналы генератора 25 импульсов поступают на шину 40 (второй выход).Генератор 25 импульсов формирует последовательность тактовых сигналов частоты 1, которая поступает .на шину 43 (пятый выход) и на вход о-канального распределителя 26 импульсов. На П выходах распределителя 26 импульсов формируются и последовательностей сигналов частоты Е(ь сдвинутых друг относительно друга на время 1/ХКаждый выходной сигнал распределителя 26 импульсов совпадает с моментом считывания соответствующего раз" ряда двоичного кода с выходов регистров 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов первого выхода распределителя 26 импульсов, поступающая на шину 41 (третий выход) совпадает по времени со сдвигом первого (мпадшего) разряда двойчных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов последнего 6-го выхода распределителя 26 импульсов, посту- пающая на первые входы элементов 31 и 32 И, совпадает по времени со сдвигом последнего .и -го разряда двоичных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига.С помощью коммутатора 27, выполненного, например, в виде электронного коммутатора, управляемого по шине 36, или в виде клавишного переключателя, каждый выход распределиДействительно, относительная погрешность определения показателя экспоненциальной функции для основного изобретения определяется соотно- шением 5т (5 ЬТ Т+Ь Тгде Т 1 - - интервал времени междугпереходами уровнейнапряжения .О и Ог; ОЬТ - абсолютная погрешйостьизмерения временногоинтервала,а для дополнительного изобретения -выражением ЫТ 15У =12 4 Г ЫЬте -е(Ь) ю,ЬТ1-е4 Т Еп ЬТ Учитывая, что .оЬТсс 1, последнее выражение (6) для относительной погрешности дополнительного изобрете" ния примет виде ф-ЫЬТЕсли обозначить= сТ т то выражение (7) можно записать в слеЗО дующем виде: Учитывая,. что,ЬТ сс Т выражение(9) для эффекта цовышения точностипримет вид 45 Эффект повышения точности длядополнительного изобретения посравнению с основным определяют наосновании соотношений (5) и (8)Ф - (е -)-Ьт . 4 оТ+ЬТ где 7:ьТ3 и обычно выбираетсяв диапазоне 3-5,Согласно выражению (10) эффектповйшения точности тем больше, чембольше сТ: т Например, при = 3точность повыпается более чем вшесть раз, а при Ф = 5 точность увеличивается почти в тридцать раз.Если в качестве генератора 25 импульсов использовать кварцевый генератор с частотой= 640 кГц, аразрядность регистров 9 и 10 сдвигавыбрать равной п = 64, то абсолют-ная погрешность измерения временногоГ иинтервала составит ЬТ = - = 10 с,ЕТогда относительная погрешностьпредлагаемого устройства, рассчитанная по формуле (7), например, для= аТ= 3 и о= 1, составит0,5 .10 отн.ед. или 0,510 %. Технико-экономические преимущест-, ва предлагаемого устройства по ,сравнению с базовым, в качестве которого выбрана серийная отечественная аналоговая вычислительная машина МНМ, имеющая наименьшие приведенные затраты, заключаются в повьппении точности. Погрешность вычисления показателя экспоненциальной функции с помощью АВМ МНМ составляет 5%.Относительная погрешность для предлагаемого устройства, как было показано, для Т=З, си ЬТ= 10 с составляет 0,5 10- %. Следователь- , но, это устройство позволяет повысить точность вычисления показателя зкспоненциальной функции по сравнению с аналоговой вычислительной машиной в 10 раз."Патен Тираж 698 ВНИИПИ Государстве по делам изрбрет 13035, Москва, ЖПодписноеого комитета СССРний и открытийРаушская наб д. 4