КОДИРУЮЩИЙ ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

КОДИРУЮЩИЙ ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


RU (11) 2141721 (13) C1

(51) 6 H03M7/04, G06F7/544 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 98114411/09 
(22) Дата подачи заявки: 1998.07.16 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1998.07.16 
(45) Опубликовано: 1999.11.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 677100 A, 30.07.79. SU 353343 A, 25.10.72. Смолов В.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства. - М.: Радио и связь, 1983, с.222. SU 1208607 A, 30.01.86. RU 94010950 A1, 27.02.96. US 5633634 A, 27.05.97. 
(71) Заявитель(и): Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет 
(72) Автор(ы): Сафьянников Н.М.; Буренева О.И. 
(73) Патентообладатель(и): Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет 
Адрес для переписки: 197376, Санкт-Петербург, ул.проф.Попова 5, СПГЭТУ, Патентный отдел 

(54) КОДИРУЮЩИЙ ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для обработки сигналов, представленных в кодовой и широтно-импульсной формах. Техническим результатом является повышение быстродействия преобразователя. Преобразователь состоит из суммирующего счетчика импульсов, трех логических блоков, каждый из которых представляет собой ряд двухвходовых схем совпадения с объединенными схемой сборки выходами, трех элементов И и двух реверсивных счетчиков. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение при обработке сигналов, представленных в кодовой и широтно-импульсной формах при выдаче результатов вычислений в кодовой и частотно-импульсной формах.

Кодирующий времяимпульсный преобразователь позволяет выполнять кодирование широтно-импульсномодулированных (ШИМ) величин по множительно-косинусной зависимости

Nвых= Ncos(), (1)

где Nвых и N - выходной и входной цифровые коды; - относительная длительность прямоугольных импульсов длительностью , повторяющихся с периодом Т, т.е. = T.

Известно устройство [1], решающее аналогичную задачу: выполняется функциональное преобразование времяимпульсных сигналов с использованием цифровой элементной базы. Однако устройство характеризуется низкой помехоустойчивостью при обработке большого количества частотно- импульсных сигналов из-за отсутствия оператора усреднения. Кроме того, к недостаткам устройства относятся сложность, низкие технологичность и надежность работы. Для реализации устройства необходим стабильный генератор некратных образцовых частот на n выходов, где n выражает число участков кусочно-линейной аппроксимации, которая используется для вычисления функций.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является кодирующий времяимпульсный преобразователь [2] , который выбран в качестве прототипа.

Прототип обладает технологичностью и является более простым и помехоустойчивым устройством, чем устройство [1].

Прототип (фиг. 1) содержит суммирующий счетчик импульсов 1, вход которого соединен с входом опорной частоты устройства, три логических блока 2, 3, 4, каждый из которых представляет собой ряд двухвходовых схем совпадения с объединенными схемой сборки выходами, три элемента И 5, 6, 7, два реверсивных счетчика 8, 9, выход первого реверсивного счетчика 8, являющийся выходом устройства, соединен с кодовым входом первого логического блока 2, выход второго реверсивного счетчика 9 соединен с кодовым входом третьего логического блока 4, кодовый вход второго логического блока 3 подключен к входной шине устройства, частотные входы логических блоков 2, 3, 4 подключены к соответствующим динамическим выходам суммирующего счетчика импульсов 1, выходы логических блоков 2, 3, 4 подключены соответственно к первым входам первого 5, второго 6 и третьего 7 элементов И, вторые входы которых объединены с входом времяимпульсного сигнала устройства. Прототип содержит также элементы И 10 и 11, инвертор 12, элемент ИЛИ 13. Первые входы четвертого 10 и пятого 11 элементов И подключены соответственно к выходам первого 2 и третьего 4 логических блоков, а вторые входы объединены с выходом инвертора 12, вход которого объединен с входом времяимпульсного сигнала устройства. Выходы элементов И подключены соответственно первого 5 - к первому входу элемента ИЛИ 13, второго 6 - к входу первого реверсивного счетчика 8, вычитающему с коэффициентом четыре, третьего 7 - к входу второго реверсивного счетчика 9, вычитающему с коэффициентом один, четвертого 10 - к входу второго реверсивного счетчика 9, суммирующему с коэффициентом один, пятого 11 - к входу второго реверсивного счетчика 9, вычитающему с коэффициентом два, ко второму входу элемента ИЛИ 13 и к суммирующему с коэффициентом один входу первого реверсивного счетчика 8. Выход элемента ИЛИ 13 подключен к суммирующему с коэффициентом четыре входу первого реверсивного счетчика 8.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия кодирующего времяимпульсного преобразователя.

Решение поставленной задачи состоит в том, что в кодирующем времяимпульсном преобразователе, в состав которого входят суммирующий счетчик импульсов, вход которого соединен с входом опорной частоты устройства, три логических блока, каждый из которых представляет собой ряд двухвходовых схем совпадения с объединенными схемой сборки выходами, три элемента И, два реверсивных счетчика, выход первого реверсивного счетчика, являющийся выходом устройства, соединен с кодовым входом первого логического блока, выход второго реверсивного счетчика соединен с кодовым входом третьего логического блока, кодовый вход второго логического блока подключен к входной шине устройства, частотные входы логических блоков подключены к соответствующим динамическим выходам суммирующего счетчика импульсов, выходы логических блоков подключены соответственно к первым входам первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых объединены с входом времяимпульсного сигнала устройства, причем выходы этих элементов И соединены соответственно первого - с входом первого реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом один, второго - с входом первого реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом четыре, третьего - с входом второго реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом два, а выходы логических блоков также соединены соответственно первого - с входом второго реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом один, второго - с входом второго реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом один, и третьего - с входом первого реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом два.

Таким образом, предлагаемое устройство в отличие от прототипа не содержит элементов, выполняющих обратную времяимпульсную модуляцию: инвертора, формировавшего инверсный ШИМ-сигнал, и двух элементов И, выполнявших широтно-импульсную модуляцию импульсных последовательностей. Для получения квадратичной зависимости используется только операнд, содержащий аргумент , а операнд, содержащий параметр (1- ), исключен. Поскольку рабочим является интервал времена или весь период Т, то также отпадает необходимость суммирования импульсных последовательностей, это позволяет отказаться от элемента ИЛИ.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании простого кодирующего времяимпульсного преобразователя для получения нелинейной зависимости при усреднении импульсных потоков с весовым заданием величин, позволяющего отслеживать изменение входного времяимпульсного сигнала в процессе непрерывного формирования результата, посредством организации двух структур с отрицательной обратной связью, компенсирующие воздействия в которых вырабатываются и передаются в частотном виде только с прямой времяимпульсной модуляцией и соответствующим весовым заданием, благодаря чему отпадает необходимость в инверсной времяимпульсной модуляции, уменьшается количество компенсирующих воздействий и, соответственно, исключается избыточное оборудование, повышается быстродействие устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема прототипа, а на фиг. 2 изображена функциональная схема предлагаемого кодирующего времяимпульсного преобразователя.

Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит суммирующий счетчик импульсов 1, вход которого соединен с входом опорной частоты устройства, три логических блока 2, 3, 4, каждый из которых представляет собой ряд двухвходовых схем совпадения с объединенными схемой сборки выходами, три элемента И 5, 6, 7, два реверсивных счетчика 8, 9, выход первого реверсивного счетчика 8, являющийся выходом устройства, соединен с кодовым входом первого логического блока 2, выход второго реверсивного счетчика 9 соединен с кодовым входом третьего логического блока 4, кодовый вход второго логического блока 3 подключен к входной шине устройства, частотные входы логических блоков 2, 3, 4 подключены к соответствующим динамическим выходам суммирующего счетчика импульсов 1, выходы логических блоков 2, 3, 4 подключены соответственно к первым входам первого 5, второго 6 и третьего 7 элементов И, вторые входы которых объединены с входом времяимпульсного сигнала устройства, а выходы этих элементов И соединены соответственно первого 5 - с входом первого реверсивного счетчика 8, суммирующим с коэффициентом один, второго 6 - с входом первого реверсивного счетчика 8, суммирующим с коэффициентом четыре, третьего 7 - с входом второго реверсивного счетчика 9, вычитающим с коэффициентом два, а выходы логических блоков 2, 3, 4 также подсоединены соответственно первого 2 - с входом второго реверсивного счетчика 9, вычитающим с коэффициентом один, второго 3 - с входом второго реверсивного счетчика 9, суммирующим с коэффициентом один, и третьего 4 - с входом первого реверсивного счетчика 8, вычитающим с коэффициентом два 2.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии все счетчики 1, 8, 9 находятся в нулевом состоянии. На входы устройства подаются двоичный код N и ШИМ-сигнал с относительной длительностью , на вход счетчика 1 подключена опорная импульсная последовательность с частотой f0. Известно [3, с. 222], что логические блоки 2, 3, 4 совместно со счетчиком 1 реализуют линейное преобразование "код- частота"

fЛБ=(f0/2n)NЛБ,

где fЛБ - среднее значение частоты на выходе логического блока;

NЛБ - входной управляющий код логического блока;

n - разрядность счетчика и кода NЛБ.

Элементы И осуществляют широтно-импульсную модуляцию, пропуская на входы реверсивных счетчиков импульсные последовательности в течение интервалов времени .

Поскольку в начальный момент времени счетчики 8 и 9 обнулены, первым начнет работу преобразователь "код-частота" на основе логического блока 3, так как остальные логические блоки 2 и 4 управляются нулевыми кодами NZ и NA с выходов счетчиков 8 и 9 соответственно. Первый импульс с выхода логического блока 3 поступит на реверсивный счетчик 9 и, пройдя через соответствующий элемент И 6, поступит на реверсивный счетчик 8 и сделает содержимое счетчиков 8, 9 отличным от нуля. Благодаря этому начнется работа логических блоков 2 и 4.

Таким образом, импульсные последовательности на входах счетчиков 8, 9 описываются следующими функциональными характеристиками.

f1=kNZ , (2)

f2=kN , (3)

f3=kNA; (4)

f4=kN; (5)

f5=kNA ; (6)

f6=kNZ, (7)

где k=f0/2n.

Эти импульсные последовательности поступают на реверсивные счетчики 8 и 9 следующим образом: f1 - на вход "+1" счетчика 8; f2 - на вход "+4" счетчика 8; f3 - на вход "-2" счетчика 8; f4 - на вход "+1" счетчика 9; f5 - на вход "-2" счетчика 9; f6 - на вход "-1" счетчика 9.

В основу построения устройства положен принцип автоматической компенсации частотно-импульсных последовательностей, реализуемый с помощью отрицательной обратной связи. В качестве схемы сравнения последних, вырабатывающей сигнал рассогласования в контуре обратной связи, используется реверсивный счетчик. Он выполняет одновременно две функции: вычитание частот и интегрирование полученной разности с выдачей результата в виде двоичного кода. Здесь имеются два контура обратной связи: местный - на основе реверсивного счетчика 9 и главный - на основе реверсивного счетчика 8.

Условием динамического равновесия схемы является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей в каждом реверсивном счетчике в течение периода широтно-импульсной модуляции Т, т.е.

N+= N- или f+ - f-,

где f+, f- - средние значения частот импульсных последовательностей по суммирующим и вычитающим цепям реверсивных счетчиков с учетом коэффициентов суммирования и вычитания.

Из условия динамического равновесия схемы (8) находится функциональная связь между средними значениями выходных кодов NA, NZ счетчиков 8, 9 и входными цифровой N и широтно-импульсной величинами, а в конечном итоге - функциональная характеристика всего устройства. Согласно схеме (фиг. 2) средние значения частот импульсных последовательностей по суммирующим f+(8) и вычитающим f-(8) цепям реверсивного счетчика 8 с учетом коэффициентов суммирования и вычитания будут определены следующим образом:

f+(8)=f1+4f2 и f-(8)=2f3.

Тогда равенство (8) принимает вид f1+4f2=2f3, подставляя выражения (2), (3), (4), имеем

kNz+4kN = 2kNA.

Отсюда находится выражение для среднего значения выходного кода реверсивного счетчика 8

Nz= (2NA-4N)/. (9)

Аналогично для реверсивного счетчика 9

f+(9)=f4 и f-(9)=2f5+f6,

тогда с учетом (5), (6), (7) имеем

kN = 2kNA+kNz, (10)

или

NA= (N-Nz)/2. (11)

Выражения (9) и (II) дают функциональную характеристику устройства, представляющую собой отношение полиномов второй степени:

Nz= N(a22+a1+a0)/(b22+b1+b0),

где a2=-4, a1=0, a0=1, b2=1, b1=0, b0=1.

Известно [3, с. 65], что для косинусной функции Z = Cos () справедливо дробно-рациональное приближение

Z = (-42+1)/(2+1),

т.е. функциональная характеристика устройства соответствует требуемой.

Установившийся режим наступает через m периодов времяимпульсного сигнала. Получение квадратичной зависимости широтно-импульсного сигнала только с использованием операнда, содержащего аргумент , при отсутствии элементов, формирующих значение (1-), уменьшает максимальный путь сигнала от входа к выходу устройства. Таким образом, уменьшается время срабатывания устройства и повышается его быстродействие. При этом благодаря построению устройства в виде замкнутой следящей системы с отрицательной обратной связью и обеспечением режима непрерывного усреднения, устройство помехоустойчиво к единичным помехам по широтно-импульсным и частотно-импульсным сигналам, а также по единичным сбоям в работе счетчиков.

Дополнительным преимуществом получения квадратичной зависимости широтно-импульсного сигнала только с использованием прямой времяимпульсной модуляции является повышение технологичности и надежности устройства за счет исключения избыточного оборудования.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР N 353343, H 03 K 13/20, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР N 677100, H 03 K 13/20, 1979.

3. Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б. и др. Времяимпульсные вычислительные устройства. -М.: Радио и связь, 1983. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Кодирующий времяимпульсный преобразователь, в состав которого входят суммирующий счетчик импульсов, вход которого соединен с входом опорной частоты устройства, три логических блока, каждый из которых представляет собой ряд двухвходовых схем совпадения с объединенными схемой сборки выходами, три элемента И, два реверсивных счетчика, выход первого реверсивного счетчика, являющийся выходом устройства, соединен с кодовым входом первого логического блока, выход второго реверсивного счетчика соединен с кодовым входом третьего логического блока, кодовый вход второго логического блока подключен к входной шине устройства, частотные входы логических блоков подключены к соответствующим динамическим выходам суммирующего счетчика импульсов, выходы логических блоков подключены соответственно к первым входам первого, второго и третьего элементов И, вторые входы которых объединены с входом времяимпульсного сигнала устройства, отличающийся тем, что выходы элементов И соединены соответственно первого - с входом первого реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом один, второго - с входом первого реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом четыре, третьего - с входом второго реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом два, а выходы логических блоков также соединены соответственно первого - с входом второго реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом один, второго - с входом второго реверсивного счетчика, суммирующим с коэффициентом один, и третьего - с входом первого реверсивного счетчика, вычитающим с коэффициентом два.