Преобразователь напряжения в код

Союз Советск ихСоциалистическиеРеспублик Оп ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУно делам изобретений к открытий(72) Авторы изобретения Н. П. Вашкевич и Л. Н. Панков Пензенский политехнический институт(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ В КОД Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в различных информационно-измерительных системах.Для разгрузки ЭЦВМ, работающих в5 составе систем управления объектами, от несложных, но требующих значительного количества машинного времени вычислений последние выполняют непосредственно в преобразователях напряжения в код, при этом преобразователи в процессе определения цифрового эквивалента преобразуемого напряжения выполняют некоторые математические операции и функцивльные преобразования.Однако приобретение дополнительных функций в таких преобразователях достигнуто применением специальной схемотехники, с утратой возможности линейного преобразования напряжения в код, вследстиве чего они обладают ограниченными функциональными возможностями.Известен преобразователь напряжения в код по методу поразрядного уравновешивания с умножением нескомпенсированных остатков, содержащий вычитатогцие усилители, блок сравнения, источник эталонного напряжения (токов), ключи, регистрирующее устройство и распределитель сигналов, Вычитаюшие усилители соединены последовательно, первый вход первого усилителя соединен с входной клеммой устройства, Блок сравнения соединен первой группой входов с выходами вычитвющих усилителей, вторым входомс выходами источника эталонного напояжения (токов), треьим входом - с Вьтходом распределителя сигналов, выходы блока сравнения соединены с входами регистрирующего устройства и с первыми входами ключей, вторые входы которых соединены с выходами распределителя сигналов, вторые входы вычитающих усилителей через ключи соединены с выходами источгтка эталонного напряжения (токов), регистрпрукнцее устройство соединено с распределителемсигналов 1 .7298 40 Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя напряжения в код путем применения единого алгоритма уравновешивания для выполнения ряда функциональных преобразований и формирования кода по алгоритму упрощенного умножения,Это достигается тем, что в преобразователь 6 напряжения в код, содержащем соединенные последовательно усилители, блок сравнения, источник эталонного напряжения (токов), ключи, регистрирующее устройство и распределитель сигналов, блок сравнения соединен первой группой входов с выходами усилителей, вторым Входом - с выходом источника эталонного напряжения 3Известный преобразователь имеетограниченные функциональные возможности, так как преобразует напряжениятолько в код, линейно зависящий отпреобразуемого напряжения,5Известен наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к изобретению преобразователь аналог-цифра. Преобразователь аналог-цифрасодержит усилители, блок сравнения, источник, эталонного напряжения (токов),ключи, регистрирующее устройство и распределитель сигналов, Усилители соединены последовательно, первый вход пер,вого усилйтеля соединен с входной клеммой устройства. Вход и выход предшествующего усилителя через соответствующий ключ соединены с входом последующего усилителя. Блок сравнения соединен первой группой входов с выходами 20усилителей, вторым входом - с выходомисточника эталонного напряжения (токов),третьим входом - с выходом распределите.ля сигналов, выходы блока сравнения соединены с входами регистрирующего устройства и с первыми входами ключей,вторые входы которых соединены с выходами распределителя сигналов, регистри рующее устройство соединено с распределителем сигналов. Преобразователь аналог-цифра формирует код, соответствую,щий логарифму по основанию с преобразуемого напряжения 23 .Существенный недостаток известногопреобразователя напряжения в код за- З 5ключается в том, что он обладает огращченными функциональными возможностями, так как ориентирован ца образование одной функциональной зависимостикода от преобразуемого напряжения, . 39(токов), третьим входом - с выходомраспределителя сигналов, выходы блокасравнения соединены с первыми входамиусилителей и ключей, вторые входы которых соединены с выходами распреде -лителя сигцалов, регистрирующееустройство соединено с распределителем сигналов, введены коммутатор,блок умножения, выполненный из регистра - сдвигателя, сумматора и узла управления, и запоминающее устройство,при -чем входы коммутатора соединены свходными клеммами устройства и с выходом, распределителя сигналов, выходкоммутатора соединен с вторым входомпервого усилителя, третьи входы последних усилителей через ключи соединеныс выходами источника эталонного напряжения (токов), первые входы узна управления и запомицакнцего устройствасоединены с выходом блока сравнения,вторые входы узла управления и запоминающего устройства соединены с распределителем сигналов, входы регистрасдвигателя соединены с выходами узлауправления и выходами сумматора, входыкоторого соединены с выходами регист-.ра-сдвигателя и запоминающего устройства, входы регистрирующего устройствасоединены с выходами узла управленияи регистра-сдвигателя, вход распределителя сигналов соединен с шиной цифрового входа преобразователя напряжения в код,Это позволяет наряду с образованиемкода М преобразуемого напряженияформировать коды И( Е 1,5 ), фукционально связанные с йреобразуемыми напряжениями Чх и О.х,- ,и- - -ЧО,хЧМ ф,4 Ч 1УПреобразователь напряжения в код(см. чертеж) содержит усилители 1,2,3,4,5, блок сравнения 6, источникэталонного напряжения (токов) 7, ключи 8, регистрирующее устройство 9, рас-.пределитель сигналов 10, коммутатор 11,блок умножения 12, запоминающее устройство 13. Блок умножения 12 выполнен из регистра-сдвигателя 14; сумматора 15 и узла управления 16.Усилители 1, 2, 3, 4, 5 соединеныпоследовательно, Блок сравнения 6 соединен первой группой входов и выходамиусилителей 1, 2, 3, 4, 5 вторым входом729839 с выходом источника эталонного напряжения (токов) 7, третьим входом - с выходом распределителя сигналов 10. Выходы блока сравнения 6 соединены с первыми входами усилителей 1, 2, 3, 4, 5 и ключей 8, вторые входы которых соединены с выходами распределителя сигналов. Регистрирующее устройство 9 соединено с распределителем сигналов 10,Коммутатор 11 соединен с входными 10 клеммами 17,18 устройства и с выходом распределителя сигналов 10. Выход коммутатора 11 соединен с вторым входом усилителя 1. Вторые входы последних усилителей 3, 4, 5 через ключи 8 соединены с выходами источника эталонного напряжения (токов) 7. Первые входы узла управления 16 и запоминающего устройства 13 соединены с выходом блока сравнения 6. Вторые входы узлауправления 16 и запоминаюшего устройства 13 соединены с распределителем сигналов 10. Входы регистра сдвигателя 14 соединены с выходами узла управления 16 и выходами сумматора 15, вхо - ды которого соединены с выходами ре - гистра-сдвигателя 14 и запоминающего устройства 13. Входы регистрирующего устройства 9 соединены с выходами узла управления 16 и регистра-сдвигателя 14. Вход распределителя сигналов 10 соединен с шиной 19 цифрового входа преобразуемого нялряжения в код.В основу работы преобразователя напряжения в код при выполнении функциональных преобразований положен сходяшийся итерационный процесс, известный как методвычислений "цифра за цифрой".Процесс выработки кодов И, связанных функциональной зависАос"гью с 40 преобразуемым напряжением, разбивается на 2 этапа:а) уравновешивание преобразуемого напряжения Опутем его умножения (усиления) на убываюшую последовательность констант, приближающих Ох к элялонному напряжению О( й (+ ф. :О,1)50 где и - разрядность преобразования;- номер шага (ступени) преобразования р- основание системы счисления;х - кодированный результат сравпения преобразуемого напряжения со шкалой эталонных напряжений на шаге уравновешивания 6(при образовании кода всме ценной системе счисленияположительно, в симметричнойсистеме счисления к положительно пли отрицательно);- двоичные величины, для урявновешивания со знакопостояннымишагами , Е 0,1 дляуравновешивания со знакопеременными шагами .- 1,1= 1;- коэффициент, отражающийчисло шагов (ступеней) уравновешивания . ( С =1 или Ф, =2. );б) формирование в цифровом виде по значениям определенных на нервом этапехкодов М; вычислением произ1 мведения Но,П С 1+ 1;о( ) для всехо; офункций, кроме логарифмической, для этой функции кол образуется суммированием предварительно вычисленнных кон- стант М =-,". х оц (+ с ). -о Зкакопостоянные константы 3 находят из соотношения4+д- 13 (2) при знаке "минус" в соотношении -. О.Знакопеременные константы 8, определяют из соотношения Ф=-Ф(О П фкА ") О, 3) "к=о Для достижения необходимой точности преобразуемое напряжение О должно находиться в диапазоне 0,5 0: (у ( Оо в первом случае и в диапазоне 0,250 6 Ок ( 1,50, во втором случае. Для приведения преобразуемого напряжения Ок указанным диапазонам оно предварительно подвергается нормированию путем усиления с дискретно изменяемым коэффициентом усилениями. где показатель х устанавливают наоосновании сравнения усиленного напряжения (.) М. - Ц с(с эталонным напряжео ХОх хкием О, . Так как по предлагаемому алгоритму урановешивания преобразованию подвергают нормированное напряжение результат преобразования корректируют в цифровой форме. Далее в формулах729830 Число констант первого вида не превосходит (о + 1), число констант второго вида - х, + (ф(-1), Номер шагауравновешивания и результаты сравненияхиспользуются как признаки5адреса ячейки запоминающего устройствадля хранения таблицы констант. Наличиев составе любого типового блока умножения сумматора позволяет осуществить суммирование констант при вычислении логарифма,Преобразователь напряжения в кодработает в следующих режимах:1) преобразование напряжения в код;2) образование кода, соответствующего обратным значениям преобразуемогонапряжения и корня квадратного из него;3) образование кода;отношения пре -образуемых напряжений;4) образование кода корня квадратного 20из преобразу емого напряжения;5) образование кода логарифма преобразуемого напряжения,Перевод схемы преобразователя на -пряжения в код в один из режимов осушествляется по сигналам, поступающимна шину 19 цифрового входа преобразователя напряжения в код. Этим режимамсоответствуют управляющие сигналыСИ 1 - СИ на выходах распределиителя сигналов 10, задающие последовательность работы во времени различныхсхем преобразователя.Операциям по уравновешиванию пре -образуемого напряжения предшествует 35нормирование, которое заключается вусилении напряжения Отак, чтобыобеспечить его нахождение в заданномдиагазоне. По сигналу СИ 1 распределителя сигналов 10 преобразуемое напря 40жение Опередается коммутатором навход усилителей 1, 2 нормирования.Коэффициент усиления усилителей 1,2нормирования меняется как 2 , гдеХ45показатель х определяется по реозультвтвм сравнения усиленного преобразуемого напряжения 0.2. , аэталонным напряжением О в блокесравнения.Выбор оснований степени, равным 2,позволяет совместить этап нормированияс уравновешиванием для 3 =1, так какодля первого шага уравновешивания преобразуемое напряжение должно усиливать 55ся в 2раз и сравниваться с эталонным напряжением. Кроме того, при такомосновании упрощается определение кодадля первоначального напряжения. 10нДалее напряжение Опреобразуетсяпо известному алгоритму преобразованиянапряжения в код с умножением нескомпенспрованного остатка напряжения вн2 раза, Если ОО, то по сигналу, совыхода блока сравнения 6 в момент прихода сигнала от распределителя сигналов10 ключем 8 колпенсирующее напряжение О(или ток Э, ) передается наквычитвюший вход усилителя 3. Так какнв его другом входе присутствует нанпряжение О, на выходе усилителя 3образуется разность (%х - (Зк ) 2. Еслик,О, ( О , компенсирующее напряжение (или ток 3) не подается на вычиктающий вход усилителя 3, в этом случаенв его выходе присутствует удвоенноенапряжение О, Напряжение с выхода усилителя 3 также поступает вблок сравнения 6 и по результату сравнения уравновешивается с использованиемусилителя 4 и ключа 8 (в следукяцемтакте уравновешивания) усилителя 5 исоответствующего ключа 8.Результаты сравнения через узел управлеия 16 фиксруются в регистресдвигвтеле 14 блока умножения 12 идалее передаются в регистрирующее устройство 9 для представления по величине коэффициента усиления усилителей 1,2кода напряжения в требуемой форме,Образование код, соответствующегообратному значению преобразуемого напряжения, также начинается с операциинормирования, которая выполняется впоследовательности, описанной выше.Коэффициенты усиления усилителей 3,4,5устанавливаются по сигналам распределителя сигналов 10 соответственно(1+2 )0+2 )Д 2 ),Одновремепо в качестве исходной величины в регистр-сдвигвтель 14 блока умножения 12 заносится ед:нпа,Сигнал с выхода усилителя 3 посту-.пает в блок срввнения 6, где сравнивается с эталонным напряжением Оо, Если 0, 1+2 Цо,то сигналу хс( 4выхода блока сравнения 6 в момент прихода очередного сигнала от распределителя сигналов 10 коэффициент усиления усилителя 3 уменьшается до единпы. В 1 ротпвном случае ( х =1), он сохраняется3главным ( 1+2 ) .Аналогично сравниваются с эталонным апряжением напряжения с выходом усицтелей 4,5 и по результатам сравне -нличине напряжения О, которые выполняются как было описано выше. Посленобразования кода напряжения 0 он фиксируется в регистре-сдвигателя 14 и используется в качестве исходной величины для следующего цикла. При уравновешивании напряжения Оч по типу образоНвания кода обратной величины преобразуемого напряжения в блоке умножения 12 по результатам сравнения Х Х Х усиленного напряжения и,и эталонногон"напряжения Оо вычисляется произведени 1-1 х,ч х 1 которое соответствует коду отношениянапряжений Образование кода корня квадратногоИ из преобразуемого напряжения О выполняется за 2 цикла уравновешивания. Сначала находится код Я, которыйхсохраняется к началу следующего цикла в регистре-сдвигателе 14 блока умножения 12. Далее производится уравновешиНванне напряжения 0 по типу образовахния кода, соответствующего величине обратно пропорциональной корню квадратному из преобразуемого напряжения с использованием "двойных" шагов усиления преобразуемого напряжения О"УПри обраяовании кода логарифма преобразуемого напряжения одновременно с нормированием и уравновешиванием по типу образования кода обратной величины напряжения по сигналам распределителя сигналов 10 происходит обращение к ячейкам запоминающего устройства 13, из которого последовательно извлекаются и передаются на входы сумматора 15 .константы хЬа 2 и х Вся(1+2. ), где они складываются для образования кода логарифма преобразуемого напряжения,Адреса ячеек запоминающего устройство13 формируются по результатам сравне-ния х и номеру такта уравновешиваНИЯ 4Коды. результатов функциональныхпреобразований также фиксируются врегистрирующем устройстве 9,При незначительном усложнении схемы усилителей 3, 4, 5 полная совокупность функциональных зависимостей может быть получена без использованияпреобразования напряжения в код по алгоритму с умножением нескомпенсирован 11 729839 12ния х у, корректируются их коэффи 21 Ьциенты усиления.Одновременно с началом процесса коррекции коэффициента усиления усилителя3 сигнал х, =1 с выхода блока сравнения 6 поступает в блок умножения 12,В нем единица, зафиксированная в регистре сдвигателя 14, умножается навеличину (1+2 ). Операция умножениявыполняется как сложение содержимогорегистра-сдвигателя 14 и его уменьшенного в 2 раз значения, Содержимоерегистра -сдвигатепя 14 и его уменьшенное сдвинутое вправо на один разряд,значения передаются на входы сумматора 15, который вырабатывает их сумму,Полученный результат по цепи с выхода. сумматора 15 на вход регистра-сдвига- Ителя 14 фиксируется в нем и используетиОся в качестве исходной величины для 20следующего шага вычисления кода. Ес-ли результат сравнения Х =О, содержимое регистра-сдвигателя 14 сохраняется неизменным. Аналогично выпол -няется вычисление произведения на втором и третьем тактах уравновешивания.Так как шаги вычисления кода, выполняются одновременно с шагами уравновешивания формирование кода завершаетеяс задержкой не превышающей длитель 30ности одного шага вычисления кода после вьпюлнения последнего шага уравновешивания.Образование кода обратной величиныкорня квадратного из преобразуемогонапряжения вьпюлняется по типу формирования кода, соответствующего обратной величине преобразуемого напряжения,нос использованием двойных шагов усиления нормированного преобразуемогонапряжения, Для этого коэффициента уси.ления усилителей 3, 4, 5 устанавливаются (1-2 ) (1+2 ); (1+2 )( 1+2);1+2 )(1+2), соответственно. Сравнение усиленного преобразуемого напряжения с эталонным напряжением О, икорректировка коэффициента усиления порезультатам сравнения Х, х, х выполняется в той же последовательности,которая была описана выше. Образование ф 0кода в этом случае также выполняется .- йвычислением произведения П (1+2 )в блоке 12 формирования результата,Образование кода отношения двухнапряжений О и 0 выполняется зах Чдва цикла уравновешивания - цикл обазования прямого кода напряжения 0и цикл образования кода обратного ве729839 10 о 5; ьх 20 5 0 45 ного остатка, например, при реализации усилителей 3, 4, 5 иа основе операционных усилителей с перемепым коэффициентом усиления. Для двоичной системь 1 счисления коэффициент усиления усилителей=И+ос )хобеспечивается соответствуюшим заданием номиналов рези- сторов Й во входной цепи и К в цепи обратной связи усилителя. При у.4 =О1 5% ОСДлях, =+ 1 номиналы резисторов должны удовлетворять соотноше -Т да пр; Ю = Р,=а И+;,-) При уравновешивании напряжения потипу образования кода обратной величиныпреобразуемого напряжения по результатам сравнения с, х коммутируют 1ся резисторы с различными номиналамив цепи обратной связи операционногоусилителя, При уравновешивании напряжения по типу образования кода пропорционального преобразуемому напряжению коммутируются резисторы ко входнойцепи операционного усилителя. При при 35менении симметричной системы счисленияна этапе уравновешивания (Х;=ф 1)"двойные" шаги уравновешивания позволяют сформировать код корня квадратного из преобразуемого напряжения за один цикл уравновешивания,Урввновешиввние преобразуемого напряжения со знакопеременными 6обеспечивается установлением коэффициентов усиления по результатам сравнения(1+2 ) или (1-2)В остальном работа преобразователя напряжения в кодвыполняется в последовательности, рассмотренной выше.Быстродействие преобразователя напряжения в код повышается при применении систем счисления с основанием с 4 ) 2 с параллельно-последовательным уравновешиванием преобразуемого напряжения.Усилители 3,4,5 в этом случае могут55 быть выполнены, например, в виде групп усилителей с одинаковыми в пределах групп данного разряда коэффициентами усиления. Усилители в пределах группы дипюго разряда соединяются последо - вательцо, выходы усилителей соединены с входами блока сравнения 6, а входы управления усилителей соединяются с выходами блока сравнения 6.Преобразователь напряжения в код при с =4 работает следуюшим образом,Нормированное преобразуемое нвпрянжение Опередается в группу из трех усилителей первого разряда, входацих в состав усилителя 3, коэффициенты усиления которых одинаковы и равны (1- 4 ). Сигналы с выходов усилителей группы одновременно сравниваются в блоке сравнения 6 с эталонным напряжением Оо, По результату сравнения (х, /Х,=О, 1,2,3) корректируется коэффициент усиления группы усилителей первого разряда, и усиле 1 пюе напряжение Ц, не превышвюцее эталонное напряжение, передается сначала в группу усилителей следующего разряда, а затем в группу усилителей младшего разряда, входящих в состав усилителей 4,5. Коэффициент усиления усилителей в пределах зтпх групп составляет ( 1 в : 4 ) и ( 1-;4 ),-Е -Ъ соответственно, Далее вьпюлняется сравнение усиленного преобразуемого напряжения с выходов усилителей группы с эталонным напряжением Ов блоке сравнения 6 и коррекция по результатам сравнения Х,2, Х коэффициентов усиления усилителей групп. Одновременно с уравновешиванием преобразуемого напряжения в блоке умножения 12 происходит образование кода,связанного определенной функциональнойзависимостью с преобразуемым напряжением. Образование кода в блоке умножения 12 происходит аналогично как в рассмотренном варианте выполнения преобразователя напряжения в код, но с числомодинаковых шагов вычисления кода накаждом шага ХТаким образом, предлагаемый преобразователь напряжения в кол наряду собразованием кода преобразуемого напряжения вырабатывает коды, связанныезначительным числом функциональных зависимостей с преобразуемым напряжением, В отличие от известных логарифмических преобразователей напряжения в код в предлагаемом устройстве логарифм напряжения образуется по произвольному основанпо, причем смена основания выполняется просто - путем записи в запоминающее устройство нового набораформула ЗО 15 7298 консгант. Это дополнигельно расширяет его функциональные возможности.Указанный эффект получен при незначительном увеличении схемных затрат вследствие использования единого алгоритма уравновешивания при образовании всех функциональных зависимостей, упрощенного алгоритма формирования кода и небольшой емкости запоминающего устройства. 1 ОПри применении систем счисления с укрупненным основанием преобразователь напряжения в код имеет более высокое быстродействие при выполнении функциональных преобразоващлй, чем известные 1 преобразователи напряжения в код,изобретения2 а Преобразователь напряжения в код, содержащий соединенные поеледовательно усилители, блок сравнения, источник эталонного напряжения токов), ключи, регистрирующее устройство и распределитель сигналов, блок сравнения соединен первой группой входов с выходами усилителей, вторым входом - с выходом источника эталонюго напряжения (токов), третьим входом - с выходом распределителя сигналов, выходы блока сравнения соединены с первыми входами усилителей и ключей, вторые входы которых соединены с выходами распределителя сигналов, регистрирующее устройство соединено с распределителем сигналов, о т л и ч а ю щ и й с я тем,39 16что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены коммутатор, блок умножения, выполненный из регистра-сдвигателя, сумматора и узла управления, и запоминающее устройство, причем входы коммутатора соеди,нены с входными клеммами устройства и с выходом распределителя сигнала, выход коммутатора 1 соединен с вторым входом первого усилителя, третьи входы последних усилителей через ключи. соединены с выходами источника эталонного напряжения (токов), первые входы узла управления и запоминающего устройства соединены с выходом блока сравнения, вторые входы узла управления и запоминающего устройства соединены с распределителем сигналов, входы регистра - сдвигателя соединены с выходами узла управления и выходами сумматора, входы которого соединены с выходами регистра-сдвигателя и запоминающего устройства, входы регистрирующего устройствасоединены с выходами узла управленияи регистра- сдвигателя, вход распределителя сигналов соединен с шиной цифрового входа преобразователя напряженияв код. Источники щиюрмации,принятые во внимание при экспертизе1, Полупроводниковые кодирующие729839 Составитель Д. Голубовичзова Техред С. Мигай Корре Бутяга П,Ред аж 995 Подпи рственного комитета СССРбретений и открытий Ж, Раушская наб. д. 4/5 атент", г. У Филиал ПП 27/54 ТирЦНИИПИ Госудпо делам иэо 1 13035, Москва д, ул, Проектная, 4