Многопороговый функциональный преобразователь

 

Изобретение может быть использовано в качестве кусочно-ступенчатых и кусочно-линейных аппроксиматоров функций для воспроизведения специальных кусочно-разрывных функций (функции аналого-цифрового преобразователя , функции амплитудной свертки, антье-функций, предикатных функций и др.), для воспроизведения некоторых логических операций п-значной логики и пр. Целью изобретения является расширение класса воспроизводимых преобразователем функций. Многопороговый функциональный преобразователь содержит N аналоговых релейных элементов 1, miHy 2 нулевого потен-- циала, N тин 3 задания пороговых напряжений , N + 1 шин 4 задающих напряжений . Каждьй аналоговый релейный элемент 1 содержит переключатель 5 и компаратор 6. Достижение поставленной цели обеспечено благодаря новому схемному построению многопорогового функционального преобразователя и применению аналоговых релейных элементов для амплитудного селектирования. 29 ил. (Л оо о о ел О |

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Su„„igloos

А1 (51)4 G 06 G 7/2) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

gN

Х(ХХ

Х1

Юв

Ц

Й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3975640/24-24, 3981639/24-24 (22) 14.11.85, 25.11.85 (46) 30,03.87. Бюл. У 12 (71) Специальное конструкторское бюро вычислительной техники Института кибернетики АН ЭССР (72) Л.И.Волгин (53) 681.3(088.8) (56) Вопросы теории и проектирования электронных вольтметров и средств их проверки. Тезисы докладов республиканской НТК, Таллин, НТОРЭС им. А.С.Попова, 1985, с.12, рис.6.

Цифровая информационно-измерительная техника. Межвузовский сборник научных трудов, вып.15, Пензенский политехнический институт, 1985, с.121, рис.6. (54) МНОГОПОРОГОВЬЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЬП1

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может быть использо— вано в качестве кусочно-ступенчатых и кусочно-линейных аппроксиматоров функций для воспроизведения специальных кусочно-разрывных функций (фун кции аналого †цифрово преобразователя, функции амплитудной свертки, антье-функций, предикатных функций и др.), для воспроизведения некоторых логических операций п-значной логики и пр. Целью изобретения является расширение класса воспроизводимых преобразователем функций. Многопороговый .функциональный преобразователь содержит N аналоговых релейных элементов 1, шину 2 нулевого потенциала, Н шин 3 задания пороговых напряжений, N + 1 шин 4 задающих напряжений. Каждый аналоговый релейный элемент 1 содержит переключатель

5 и компаратор 6. Достижение поставленной цели обеспечено благодаря новому схемному построению многопорогового функционального преобразователя и применению аналоговых релейных элементов для амплитудного Селектирования. 29 ил.

1300507

) + 0,5у,„(1 — sign(x„- x)); где

V =. 0,5 V (1 + sign(x — х)) + 0,5y (1 — sign(x „— х) );

+ sign(x — х)) + 0,5y t 1 — sign(x — х));

U =0,57 (1

VÄ =0,5у, (1 +

sign(x . — х)

Isign(x, — х) ) при х, x

1 при х . х

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и автоматике и может быть использовано в ка— честве кусочно-ступенчатых и кусочно-линейных аппроксиматоров функций для воспроизведения специальных кусочно-разрывных функций (функций аналого-цифрового преобразователя, антье-функции, функции амплитудной свертки и пр.), для воспроизведения некоторых логических функций п-эначной логики и др.

Целью изобретения является расширение класса воспроизводимых преобразователем функций.

На фиг.1а приведена базовая схе ма многопорогового функционального преобразователя; на фиг.16 — схема. аналогового релейного элемента; на фиг.2 — 4 — варианты подключения многопорогового функционального преобразователя к шинам задания пороговых и к шинам задающих напряжений;, на фиг.5 — 8 — воспроизводимые преобразователем функции; на фиг.9 базовая схема двухпорогового варианта функционального преобразователя; на фиг.10 — 23 — варианты схем подключения его к внешним источникам задания пороговых и задающих напряжений; на фиг.24 — 29 — воспроизводимые двухпороговым функциональным преобразователем функции.

Базовая схема многопорогового функционального преобразователя (фиг.1а) содержит N аналоговых реI .V< = 0,5 V (1 + sign(x — х) есть сигнум-функция;

V — напряжение на выходе i-го

1 аналогового. релейного элемента 1, 2 лейных элементов 1 — 1 шину 2 нум левого потенциала, N шпн 3 задания пороговых напряжений х, х,...,х

N + 1 шин 4 задающих напряжений

5 у< у э ° ° ° ьуы,-, °

Каждый аналоговый релейный элемент 1 (релятор RL) содержит (фиг.1б) переключатель 5, и компаратор 6, например дифференциальный

10 усилитель, с первым (инвертирующим) и вторым (неинвертирующим) входами.

Вариант схемы на фиг.4 дополнительно содержит инвертор 7. На фиг.9

23 схема включения двухпорогового варианта функционального преобразователя для упрощения описания вместо первой и второй групп шин 3 и

4 гоказаны первый 8 и второй 9 внешние источники пороговых напряжений и первый 10, второй 11 и третий 12 источники задающих напряжений соответственно. Во всех вариантах включения преобразователь имеет второй выходной вывод 13 и первый — 14.

Многопороговый функциональный преобразователь (фиг.1а) работает следующим образом.

Каждый аналоговый релейный эле— мент 1 (фиг.1б, релятор) воспроизво30 дит функцию сигнатурного селектирования. Выходное напряжение на первом выходе преобразователя (напряжение между первым выходным выводом 14 преобразователя и шиной 2 ну35 левого потенциала): определяется выражением

0,5уд (1 — sign(x, — х) ); (релятора), i = 1,2,...,N; у = V );

1 О х; — пороговые напряжения, поданные на соответствующие шины 3 (i = 1, 2,...,N); у; — задающие напряжения, поданные на соответствующие шины 4 (i = 1;

2,...,N + 1);

1300507 х — входное напряжение, поданное между объединенными первыми входами компараторов аналоговых релейных элементов 1, (реляторов) и шиной 2 нулево—

ro потенциала.

5

Выходное напряжение (между первым 14 и вторым 13 выходными выводами) определяется выражением V к х — V и

Установка заданной воспроизводимой10 функции в каждом интервале аппроксимации (х ., х . ) при х c x ... х

1 1+1 1 1 Й осуществляется установкой соответствующего задающего напряжения у..

1 1

При необходимости установки ну- 15 левого задающего напряжения (у. = О)

J на некоторых шинах 4 соответствующие шины 4 присоединяются к шине 2 нулевого потенциала (фиг.2).

При необходимости установки неко- 20 торых задающих напряжений у. равным пороговым напряжениям соответствующие шины 4 соединяются с заданными шинами 3. В частности, при у = у., 1 1 от .схемы по фиг.1а приходим к схеме по фиг..3.

При необходимости получения линей,ных участков в некоторых зонах аппроI ксимации с положительным и (или) от- ЗО рицателькым наклоном соответствующие задающие напряжения выбираются равными входному напряжению без инверсии (у = х) и (или) с инверсией (у.

J J

= -х) знака 8 фиг.4) °

В общем случае воспроизводимая функция или логическая операция задается комбинацией задающих напряжений: у . = у, у = 0 у = х к у р = -х, что эквивалентно соответ- 40 ственно автономной установке задающих напряжений, присоединению соответствующей шины 4 (шин) к шине нулевого потенциала заземления, присоединению соответствующей шины 4 45 (шин) к входу преобразователя непосредственно или через инвертор знака.

На фиг.5 и 6 представлены некоторые функции, воспроизводимые преоб- 50 раэователем по фиг.1а при снятии выходных сигналов с первого (фиг.5) и второго дополнительного (фиг.6) выходных выводов преобразователя.

На фиг.5а и б представлены функ- 55 ции аналого-цифрового преобразования (АЦП) соответетвенно на фиг.ба и б представлены функции погрешности дискретности AIIJI обусловленной конечным значением уровней квантования.

График по фиг.6 б определяет антьефункцию (функция ближайшего целого, содержащегося в числе).

Преобразователь по фиг.1а воспроизводит также функцию инверсии V „ =

= п — 1 — х (фиг.5в) и циклического отрицания V„ = х+1 (mod п) (фиг.5r) и-значной логики (показан случай, когда п = N + 1 = 5), причем этот преобразователь может быть использован в качестве конвертора (преобразователя) логических уровней (фиг.5д).

При у, = у = у =...= у у = у„=...= у = 0 от схемы по

N фиг.1а приходим к схеме по фиг.2.

В данном случае преобразователь по фиг.2 является гребенчатым фильтром уровней сигналов (фиг.7а и 8а) °

При у = у =...= у + = 0 у

= у =. ° .= у„ = х (фиг.76 и 86).Преобразователь по фиг.1а по первому

14 и второму 13 выходным выводам воспроизводит функции, представленные соответственно на фиг.76 и 86, т.е. также является гребенчатым фильтром уровней сигнала. При у

1 у, у =х, у =0 у =х у

1 1 З 4 3 5

= х от схемы по фиг.1а приходим к схеме по фиг.3, которая воспроизводит функции, представленные на фиг.5би 66.

При у = у =...= у = -х У

З к+1.

= у =...= у„= х от схемы по фиг.1а приходим к схеме по фиг.4. Здесь операция инвертирования входного сигкала х осуществляется инвертором 7.

1рафики функций, воспроизводимых преобразователем по фиг.4, представлены на фиг.7в (первый 14 выходной вь1вод) и фиг.8в (второй 13 выходной вывод).

В общем случае преобразователь воспроизводит любую нелинейную функцию путем установки в каждом интервале t-mm, х ), х,, х J, (х,х ), (х„, ) заданного постоянного уровня у. (i =1,2,...,N + 1) или

1 путем выделения участков прямых у = х иу=-х.

Двухпороговый вариант функционального преобразователя (фиг.9) при различных схемах его включения (фиг.9 — фиг.23). работает следующим образом.

Если входное напряжекие х на первом (инвертирующем) входе компаратора 6 аналогового релейного элемента

Если х -х < О, то переключатель 5

1О переключается в нижнее по фиг.16 положение и на первый 14 выходной вывод преобразователя проходит напряжение у от источника 7. Таким обз разом, напряжение на выходах пере15 ключателей 5 аналоговых логических элементов 1 и 1 определяется со1 2 ответственно выражениями:

1 — sian(x — х) Я д

2 2

5 130050 (релятора) 1 (фиг,9) меньше напря1 жения на его втором входе (х -х >. О), 1 то его переключатель 5 находится в верхнем по фиг. 16 положении и на выход этого переключателя проходит напряжение у от источника 8. Если на1 пряжение х на первом входе компаратора 6 больше напряжения на его втором входе (х, -х < О), то переключатель 5 переключается в нижнее по фиг.16 положение и на его выход проходит напряжение у от источника 11

1 (фиг.9), аналогичным образом осуществляется и работа аналогового логического элемента (релятора) 1

Если разность напряжений между входами компаратора б аналогового

+ sian(x — х)

Z тт ! 2 Р1

7 6 релейного элемента (релятора) положительна (х -х О), то его переключатель 5 находится в в ерхнем по фиг. 16 положении и на первый выходной вывод l 4 преоб разователя поступает выходное напряжение 7,.

1 + sign(x — х)

V = — — — --- — -.2 — — — Z

1 2

1 при х.>, х

1 где sign(x — х)

-1прих; < х есть сигнум-функция;

V — входное напряжение.

Напряжение V. снимается между

1 первым 14 выходным выводом преобра зователя и шиной 2 нулевого потенциала.

Выходное напряжение V между пер2 вым 14 и вторым 13 выходными выводами преобразователя и определяется выражением Ч = х — V, .

На фиг.24 и 27 изображены графики воспроизводимых преобразователем по фиг.9 функций по первому 14 (фиг.24) и второму 13 (фиг.27) выходны выводам. Как видим, преобразователь по фиг.9 воспроизводит трехуровневую функцию с регулируемыми порогами х, и х и регулируемыми уровнями ограничения у,, у, у э, .Если в преобразователе по фиг. 9 положить у = у = О, то приходим к схемному варианту его включения по фиг.10, который по первому 14 выходу формирует функцию двухнорогового компанирования (фиг.24). Нелинейная функция, формируемая преобразователем по фиг.10, по второму 13 (между первым 14 и вторым 13 выходными выводами) выходу представлена: на фиг.27.

При у = 0 приходим к схемному варианту включения преобразователя:, изображенному на фиг.11, а соответ1 — з1яп(х, — х)

2 уз э ствуюшие графики функций, формируемых преобразователем по фиг.1 1, представлены на фиг.24 и 27.

При х„ = х и (или) при у, = у преобразователь по фиг.9 формирует двухуровневую однопороговую @уикцию (фиг.24) и однопороговую разрывно-линейную функцию (фиг.27), При х = х, у = у = О преоб1 2 1 3 разователь по фиг.9 формирует положительную скачкообразную функцию (фиг.24) и однопороговую разрывнолинейную функцию (фиг.27).

При х, = х, у, = у = 0 преобразователь по фйг.9 формйрует отрицательную скачкообразную функцию (фиг.24) и разрывно-линейную функцию (фиг.27).

При х = у от с еды в лечения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг. 12, которая формирует двухпороговую функцию параллельного ограничения со скачкообразными переходами на уровни органичения (фиг.25) и двухпороговую функцию последовательного ограничения (фиг.28а).

Приу =z,у =х, У =х от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.13, которая формирует симметричные функции параллельного (фиг.256) и последовательного (фиг.286) двухстороннего ограничения.

При у х у = у = 0 от схеэ мы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.14, которая воспроизводит функции амплитудной

07 8 двухпороговую функцию с одноуровневым ограничением и с инверсией линейной зависимости на конечном участке (фиг.26p) и линейно †изломн функцию с удвоением наклона на конечном участке (фиг.29д).

При у = у = х, у = -х от схез мы включения по фиг.9 приходим к

1 схеме включения по фиг.23, которая формирует N-образную функцию с линейными продолжениями на первом и конечном участках (фиг.26е) и функцию селекторной фильтрации уровней сигнала с удвоением наклона характеристики (фиг.29е).

Таким образом, двухпороговый функциональный преобразователь и его частные схемы включения воспроизводят несколько семейств нелинейных типовых функциИ.

Формул а и з о бр е т е н и я

Многопороговый функциональный преобразователь, содержащий N аналоговых релейных элементов, каждый из которых выполнен в виде компара- тора, подключенного выходом к управляющему входу переключателя, выход переключателя (i-ro (i = 1 — N — 1) аналогового релейного элемента соединен с первым информационным входом переключателя (i + I)-го ана— логового релейного элемента, первые входы компараторов аналоговых релейных элементов объединены и подключены к входу преобразователя, выход переключателя N-го аналогового релейного элемента является первым выходным выводом преобразователя, отличающийся тем, 7 13005 фильтрации, т.е. является селекторным (фиг.25в) и режекторным (фиг.28в) фильтрами уровней сигнала.

При у, = y = x, у = О оТ схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.15, которая является режекторным (фиг.25г) и селекторным (фиг.28г) фильтром уровней сигнала.

При у, = х от схемы включения по фиг.9 приходм к схеме включения по фиг.16, которая воспроизводит двух— пороговую функцию двухуровневого ограничения с линейным начальным участком (фиг.25д) и линейно-разрыв- 15 ную функцию (фиг.28д).

При у = х от схемы включения по

3 фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.17, которая воспроизводит двухпороговую функцию двухуровневого 20 ограничения с линейным конечным участком (фиг.25e), и линейно-разрывную функцию (фиг ° 28е), При у = -х от схемы включения по фиг.9 приходим к схеме включения по 25 фиг.18, которая, формирует N-образную функцию с ограничениями на начальном и конечном участках (фиг.26а) и линейно-разрывную функцию с удвоением наклона на среднем участке (фиг.29а). 30

При у = -х, у,. = у = О от схемы включения по фиг.9 йриходим к схеме включения по фиг.19, которая формирует инвертирующую функцию селек- 35 торной фильтрации уровней сигнала (фиг.26б) и линейно-разрывную функцию (фиг.29б).

При у х у х от схемы вклю чения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.20, которая формирует двухпороговую функцию с одноуровневым ограничением и с инверсией линейной зависимостью на первом участке (фиг.26в) и линейно-изломную функцию с подавлением сигнала на среднем участке (фиг.29в)..

При х = О, у = -х, у = х от . схемы включения по фиг.9 йриходим к схеме включения по фиг.21, которая формирует модуль-функцию с ограничением на конечном участке (фиг.26г) и линейно-изломную функцию с подавлением сигнала на среднем участке (фиг.29г).

5S

При у = х у = -х от схемы вклюэ чения по фиг.9 приходим к схеме включения по фиг.22, которая формирует что, с целью расширения класса воспроизводимых функций, в нем вторые входы компараторов N аналоговых релейных элементов подключены к соответствующим N шинам задания пороговых напряжений, первый и второй информационные входы переключателя первого аналогового релейного элемента и вторые информационные входы переключателей аналоговых релейных элементов с второго по И-й соединены соответственно с шинами задающих напряжений с первой по (N + 1)-ю, объединенные первые входы компараторов аналоговых релейных элементов являются относительно выхода переключателя N-го аналогового релейного элемента вторым выходным выводом преобразователя.

1300507

1300507

В й*

Фие. 7

Фиа. е 1300507

1300507

1300507

Р (мlе /7j

Оыг Г5

Фиг/4

Фиг N

Фыр

Составитель А.Маслов

Техред M.Õoäàíè÷

Редактор M.Êåëåìåø

Корректор Л. Латай

Заказ 1151/49

Тираж 673 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4