устройство для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин
Классы МПК: | G06G7/20 для возведения в степень, извлечения корня, решения полиномов, вычисления среднеквадратичных значений, стандартных отклонений |
Патентообладатель(и): | Келехсаев Борис Георгиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-10-28 публикация патента:
09.06.1995 |
Использование: в вычислительной технике в качестве прецизионного функционального преобразователя. Цель: повышение точности измерений. Сущность изобретения: такое устройство реализует соотношение, приведенное в тексте описания. Устройство содержит блоки выделения модуля, блок выделения максимума, минимума, блок деления, блок сравнения, генератор тригонометрических функций, устройство выборки и хранения, управляемый усилитель. Генератор тригонометрических функций содержит квадратурный генератор, блок выделения модулей и блок деления. Положительный эффект: повышение точности вычисления за счет отсутствия методической ошибки измерений и низкая инструментальная погрешность измерений при изменении входных сигналов в широком динамическом диапазоне. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Формула изобретения
1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КВАДРАТНОГО КОРНЯ ИЗ СУММЫ КВАДРАТОВ ДВУХ ВЕЛИЧИН, содержащее два блока выделения модулей, блок выделения максимума и минимума и усилитель, причем первый и второй информационные входы устройства подключены к входам одноименных блоков выделения модулей, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока выделения максимума и минимума, выход максимального сигнала которого подключен к входу усилителя, отличающееся тем, что в него введены блок деления, блок сравнения, генератор тригонометрических функций и блок выборки и хранения, усилитель выполнен управляемым, причем выходы максимального и минимального сигналов блока выделения максимума и минимума подключены к первому и второму входам блока деления, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тригонометрических функций, второй выход которого подключен к информационному входу блока выборки и хранения, управляющий вход которого соединен с выходом блока сравнения, выход блока выборки и хранения соединен с управляющим входом управляемого усилителя, выход которого соединен с выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор тригонометрических функций содержит квадратурный генератор, блок выделения модулей и блок деления, причем первый и второй выходы квадратурного генератора подключены к первому и второму входам блока выделения модулей соответственно, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами блока деления, выход которого и второй выход блока выделения модулей подключены к первому и второму выходам генератора тригонометрических функций.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, а именно к устройствам извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, и может быть использовано в устройствах автоматики при решении задач преобразования координат, определения суммарного вектора с высокой точностью. Известно устройство, содержащее блоки выделения модуля, суммирующие резисторы и диодно-резистивные цепи, формирующие зависимость, приближенно соответствующую вычислению корня квадратного. Устройство довольно простое, однако обладает невысокой точностью. Известно устройство время-импульсного типа, содержащее интегратор, подключенный к блоку сравнения, последовательно соединенные генератор, счетчик, преобразователь код-аналог и ключи, с помощью которых преобразователь включен в цепь обратной связи. Недостатком устройства является необходимость значительного усложнения конструкции для обеспечения погрешности преобразования менее 1% а также дрейф интегратора. Известно устройство для извлечения корня, основанное на принципе кусочно-линейной аппроксимации. Устройство содержит преобразователь с переменным коэффициентом преобразования, который изменяют ступенчатым переключением, и многовходовый сумматор, на входы которого поступают напряжения с преобразователя. Устройство имеет значительную погрешность преобразования, которая складывается как из погрешности, обусловленной кусочно-линейной аппроксимацией, так и из инструментальной погрешности, а также погрешности суммирования многовходовым сумматором. Имеют также большую погрешность устройства, в которых кусочно-линейная аппроксимация осуществляется на диодном преобразователе, выход которого подключен к операционному усилителю. Значительная погрешность обусловлена падением напряжения на диодах. Большее распространение, чем другие известные устройства, получили более простые по конструкции устройства, построенные по принципу выделения модулей искомых сигналов с последующим суммированием их с определенными коэффициентами. Устройство, содержащее два блока выделения модуля, блоки выделения экстремальных сигналов и сумматоры, реализует формулу приближенного вычисления в соответствии с выражениемUвых 0,398(1Ux1 + 1Uy1) + 0,5621Ux1, 1U x 1 > 1Uy1. Устройство простое в реализации, но характеризуется значительной погрешностью преобразования около 4%
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту является известное устройство, содержащее два блока выделения модуля сигналов, блок селекции максимального и минимального сигналов, второй и третий блоки выделения максимального сигнала, делитель напряжения на резисторе, трехвходовый сумматор на операционном усилителе, который к тому же выполняет функцию усилителя. Блоки соединены между собой следующим образом. Блоки выделения модулей подключены каждый к своему входу устройства по сигналам Ux и Uy, выходы каждого из них подключены к своему входу блока выделения максимального и минимального сигнала, выход блока выделения максимального сигнала через делитель напряжения подключен к первому входу второго блока выделения максимального сигнала, выход блока выделения минимального сигнала подключен к второму входу второго блока выделения максимального сигнала; выход первого и второго блоков выделения максимального сигнала и выход блока выделения минимального сигнала подключены каждый к своему входу трехвходового сумматора-усилителя, а первый и второй входы третьего блока выделения максимального сигнала подключены к выходу блока с сигналом максимум и выходу сумматора-усилителя соответственно. Устройство довольно простое и реализует приближенное вычисление Uz=

Коэффициенты К1-К4 выбирают из условия минимизации ошибки путем выбора определенной величины коэффициентов передачи по разным входам сумматора-усилителя и коэффициента деления делителя напряжения. Устройство имеет недостаточно малую методическую погрешность преобразования

Целью изобретения является уменьшение погрешности преобразования. Для достижения указанной цели в устройство для извлечения корня квадратного, содержащее два блока выделения модулей, блок выделения максимума, минимума и усилитель, входы устройства подключены к входам блоков выделения модулей, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока выделения максимума, минимума, выход максимального сигнала подключен к входу усилителя, дополнительно введены блок деления, блок сравнения, генератор тригонометрических функций и устройство выборки и хранения, а усилитель выполнен управляемым, причем первый и второй выходы блока выделения максимума, минимума подключены к первому и второму входам блока деления соответственно, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, к второму входу которого подключен первый выход генератора тригонометрических функций, второй выход последнего подключен к первому входу устройства выборки и хранения, второй (управляющий) вход которого соединен с выходом блока сравнения, выход устройства выборки и хранения соединен с управляющим входом управляемого усилителя, выход которого подключен к выходу устройства; генератор тригонометрических функций содержит квадратурный генератор, блок выделения модулей и блок деления, причем первый и второй входы квадратурного генератора подключены к первому и второму входу блока выделения модулей соответственно, первый и второй выходы последнего подключены к первому и второму входу блока деления соответственно, выход блока деления и второй выход блока выделения модулей подключены к первому и второму выходам генератора тригонометрических функций соответственно. Предлагаемое устройство представлено на чертеже. Устройство для извлечения корня квадратного из суммы квадратов двух величин содержит:
блоки 1, 2 выделения модуля;
блок 3 выделения максимума, минимума;
блок деления 4;
блок сравнения 5;
генератор 6 тригонометрических функций;
устройство 7 выборки и хранения;
управляемый усилитель 8. Блоки в устройстве соединены следующим образом. Входы первого и второго блоков 1 и 2 выделения модулей подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Выходы блока 3 выделения максимума, минимума подключены к первому и второму входам блока деления 4 соответственно, причем первый вход для сигнала-делителя, второй вход для сигнала-делимого. Первый выход блока 3 выделения максимума, минимума, соответствующий максимальному сигналу, подключен также к первому входу управляемого усилителя 8. Выход блока деления 4 подключен к первому входу блока сравнения 5, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 6 тригонометрических функций, соответствующий косинусоидальному сигналу. Второй выход последнего, соответствующий периодическому сигналу, изменяющемуся в некотором интервале по закону функции тангенса, подключен к первому входу устройства 7 выборки и хранения, второй (управляющий) вход которого соединен с выходом блока сравнения 5. Выход устройства 7 выборки и хранения соединен с вторым (управляющим) входом управляемого усилителя 8, выход последнего является выходом устройства. В предлагаемом устройстве реализуется выражение
Z


Z


В выражении (1) подкоренное выражение есть квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника, первый катет которого равен Х, а второй катет равен Y. Аналогично для выражения (2). В прямоугольном треугольнике угол



Z


Z


U5 UaUmin| /Umax| Напряжение U4 с выхода блока деления 4 поступает на первый вход блока сравнения 5 и является для него пороговым. На второй вход блока сравнения 6 поступает косинусоидальное напряжение Uк(t) с первого выхода генератора 6 тригонометрических функций. Амплитуда гармонических колебаний с выходов этого генератора 6 равна Ua, то есть, численно равна напряжению U4 на выходе блока деления 4 при Umin Umax, а частота выбирается из условия требуемого быстродействия выполнения одного цикла вычисления. Напряжение, изменяющееся по закону тангенса, к примеру, для первого квадранта той же частоты с второго выхода генератора 6 поступает на первый вход устройства 7 выборки и хранения, а на второй его вход, являющийся управляющим, поступает логический сигнал с выхода блока сравнения 5. Когда периодическое напряжение U6-1 превышает пороговое напряжение U4 (к примеру U4 > 0), на выходе блока сравнения 5, который работает как компаратор, к примеру, устанавливается логический нуль, и устройством 7 выборки и хранения осуществляется режим "выборка". В течение времени, когда U6-1 становится равным U4 и менее, на выходе блока сравнения 5 появляется логическая единица, которая переводит устройство 7 выборки и хранения в режим "хранение", при котором на выходе УВХ 7 сохраняется напряжение U7, равное значению косинусоидального напряжения U6-2 с выхода генератора 6 тригонометрических функций до момента времени, когда опять будет выполняться U4 < U6-1. Напряжение U7 имеет всегда один и тот же знак, например, положительный, поэтому когда косинусоидальное напряжение U6-2 убывает в течение времени 1/4 периода гармонических колебаний от значения Ua до 0, а напряжение по закону тангенса U6-1 возрастает от 0 до U6 за тот же интервал времени. Интервал времени от начала отсчета, когда U6-2 Ua, до момента, когда U6-2 U4, соответствует углу, косинус которого равен: U4/Ua(arctg U4/Ua). В нашем случае:
U4 Ua(U3-2)/(U3-1). Тогда угол arctg(U4/Ua) arctg(U3-2)/U3-1), а напряжение:
U7 Ua/cos[arctg (U3-2)/U3-1)]
Напряжение с выхода устройства 7 выборки и хранения U7 поступает на второй (управляющий) вход управляемого усилителя 8. На первый вход управляемого усилителя 8 поступает напряжение Umax U3-1 с выхода блока 3 выделения максимума, минимума. Коэффициент передачи управляемого усилителя 8 изменяется пропорционально управляющему напряжению U7, причем, при U7 Ua коэффициент передачи равен К 1,414, а при U7 0, коэффициент передачи равен К 1. Это можно делать с помощью изменения сопротивления резистора в цепи обратной связи управляемого усилителя или с использованием управляемого делителя в цепи обратной связи усилителя. Таким образом на выходе устройства получают амплитуду напряжения:
Uвых (U3-1)/cos[arctg(U3-2/(U3-1)] где U3-2

Таким образом, заявляемое устройство для извлечения корня квадратного из суммы квадратов двух величин позволяет осуществлять вычисления без методической погрешности и при случайной инструментальной погрешности примеpно 0,1% По сравнению с прототипом суммарная погрешность измерений уменьшается более чем в 10 раз. Заявленное устройство имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с известными аналогичными устройствами, оно позволяет определить также отношение искомых сигналов, которое является одним из важных параметров при исследовании входных сигналов.
Класс G06G7/20 для возведения в степень, извлечения корня, решения полиномов, вычисления среднеквадратичных значений, стандартных отклонений