тригонометрический преобразователь
Классы МПК: | G06G7/22 для нахождения тригонометрических функций; для преобразования координат; для вычисления с помощью векторных величин |
Патентообладатель(и): | Келехсаев Борис Георгиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-10-16 публикация патента:
27.07.1997 |
Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в измерительно-информационных системах. Цель изобретения - расширение динамического диапазона. Поставленная цель достигается за счет осуществления аппроксимации после анализа значения угла. Устройство содержит амплитудный селектор, блок деления, сумматор и управляемый сумматор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Тригонометрический преобразователь, содержащий блок деления и два сумматора, отличающийся тем, что в него введены амплитудный селектор и источник опорного напряжения, один из сумматоров выполнен управляемым, причем первым и вторым входами преобразователя являются одноименные входы амплитудного селектора, первый и второй выходы которого подключены к одноименным входам блока деления, выход которого соединен с первыми входами сумматора и управляемого сумматора, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения, третий выход амплитудного селектора и выход сумматора соединены с управляющими входами управляемого сумматора, выход которого является выходом преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что амплитудный селектор содержит блок сравнения и блок выделения максимума и минимума, первый и второй входы которого соединены с одноименными входами амплитудного селектора и блока сравнения, первый и второй выходы блока выделения максимума и минимума и выход блока сравнения соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами амплитудного селектора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый сумматор содержит управляемый блок вычитания и ключ, вход которого и первый вход управляемого блока вычитания соединены соответственно с вторым и первым входами управляемого сумматора, выход ключа подключен к второму входу управляемого блока вычитания, управляющие входы ключа и управляемого блока вычитания являются управляющими входами управляемого сумматора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах, а также в различных автоматизированных устройствах, где требуется определение значений arctg (x/y) с высоким быстродействием, низкой погрешностью и простотой реализации в большом динамическом диапазоне. Известно устройство для определения аргумента вектора [1] содержащее логарифмические функциональные генераторы, блоки суммирования и вычитания напряжений, блок памяти, блок нелинейной коррекции, коммутаторы и блок калибровки. Его работа основана на аппроксимации функции аргумента логарифмическими функциями ортогональных составляющих. Устройство довольно сложно в реализации, имеет низкое быстродействие. Известно другое устройство [2] цифроаналогового тангенсного преобразователя, содержащего два резистора с цифроуправляемой проводимостью, резистор с цифроуправляемым сопротивлением и операционный усилитель. Устройство имеет малую методическую погрешность, так как для аппроксимации взято математическое выражениеarctg x (A1x + A3x3)/(b0 + x2),
где коэффициенты должны устанавливаться с очень высокой точностью, менее 0,02%
Устройство требует применения сложных цифровых устройств, что в сочетании с аналоговыми сигналами нерационально. Известны тригонометрические функциональные преобразователи время-импульсного действия, основанные на формировании временных интервалов с использованием гармонического опорного сигнала, к примеру, аналогичных устройству [3] в котором для получения выходного сигнала, пропорционального значению arctg (z/x), используют два балансных модулятора, сумматор и компаратор. Устройство довольно простое в исполнении, однако обладает невысоким быстродействием. Наиболее близким по общим техническим признакам является устройство для тригонометрического преобразования [4] содержащее сумматоры и блоки деления на логарифмических усилителях, подключенные к блоку вычитания, выход которого связан с антилогарифмическим блоком. Оно решает в неясном виде следующее соотношение:
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085994/2085994-2t.gif)
Устройство довольно простое в исполнении, имеет высокое быстродействие, однако такой вид аппроксимации дает большую погрешность в 0,7o. Аналогично можно реализовать более сложную математическую зависимость, аналогичную [2] с помощью множительно-делительных устройств и блоков суммирования. В этом случае устройство будет обладать высоким быстродействием, малой методической погрешностью, однако иметь ограниченный динамический диапазон и довольно большую инструментальную погрешность, так как погрешности нескольких нелинейных устройств будут определять суммарную погрешность. Цель изобретения расширение динамического диапазона, снижение инструментальной погрешности при сохранении высокого быстродействия. Сущность изобретения состоит в том, что когда x
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/960.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/960.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/960.gif)
arctg (x/y) K
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
и
arctg(x/y) =
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/960.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
где f(K) A aK для f(K) < 1;
f(K) 1 для f(K)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8805.gif)
A, a коэффициенты, выбранные из условия минимизации погрешности аппроксимации. Цель в устройстве, содержащем блок деления и два сумматора, достигается тем, что оно дополнительно содержит амплитудный селектор и источник опорного напряжения, а один из сумматоров выполнен управляемым, причем первый и второй входы устройства подключены к соответствующим входам амплитудного селектора, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входу блока деления соответственно, выход которого соединен с первыми входами сумматора и управляемого сумматора, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения, третий и четвертый (управляющие) входы управляемого сумматора соединены соответственно с третьим выходом амплитудного селектора и выходом сумматора, а выход управляемого сумматора соединен с выходом устройства; амплитудный селектор содержит блок выделения максимума и минимума и блок сравнения, причем первый и второй входы амплитудного селектора подключены соответственно к попарно соединенным первым и вторым входам блоков выделения максимума и минимума и блока сравнения, два выхода блока выделения максимума и минимума и выход блока сравнения подключены к первому, второму и третьему выходам амплитудного селектора соответственно; управляемый сумматор содержит ключ и управляемый блок вычитания, причем первый вход управляемого сумматора подключен к первому входу управляемого блока вычитания, а второй вход управляемого сумматора через ключ подключен к второму входу управляемого блока вычитания, выход которого соединен с выходом управляемого сумматора, третий и четвертый (управляющие) входы последнего подключены соответственно к управляющим входам ключа и управляемого блока вычитания. На фиг. 1 представлена структурная схема тригонометрического преобразователя. В его состав входят:
амплитудный селектор 1;
блок деления 2;
сумматор 3;
управляемый сумматор 4;
источник опорного напряжения. Блоки в тригонометрическом преобразователе соединены следующим образом. Первый и второй входы амплитудного селектора 1 подключены к первому и второму входам блока деления 2 соответственно. Выход последнего подключен к первому входу сумматора 3 и к первому входу управляемого сумматора 4, к вторым входам которых подключены источник Uоп опорного напряжения. Третий и четвертый (управляющие) входы управляемого сумматора 4 подключены к третьему выходу амплитудного селектора 1 и выходу сумматора 3 соответственно. Выход управляемого сумматора 4 является выходом тригонометрического преобразователя. Структурная схема амплитудного селектора 1 приведена на фиг. 2. В его состав входит блок 5 выделения максимума и минимума и блок сравнения 6. Блоки в амплитудном селекторе 1 соединены следующим образом. Первые и вторые входы блока 5 выделения максимума и минимума и блока сравнения 6 попарно соединены между собой и подключены к первому и второму входам амплитудного селектора 1 соответственно. Первый и второй выходы блока 5 выделения максимума и минимума подключены к первому и второму выходам амплитудного селектора 1 соответственно. Выход блока сравнения 6 подключен к третьему выходу амплитудного селектора 1. Структурная схема управляемого сумматора 4 представлена на фиг. 3. В его состав входят управляемый блок 7 вычитания и ключ 8, которые соединены следующим образом. Первый вход управляемого блока 7 вычитания подключен к первому входу управляемого сумматора 4, второй вход которого подключен к выходу ключа 8, первый вход которого подключен к второму входу управляемого сумматора 4. Третий и четвертый входы последнего подключены к второму (управляющему) входу ключа 8 и третьему (управляющему) входу управляемого блока 7 вычитания соответственно. Выход управляемого блока 7 вычитания соединен с выходом управляемого сумматора 4. Тригонометрический преобразователь работает следующим образом. Входные напряжения Ux и Uy, соответствующие величинам X и Y, поступают на первый и второй входы амплитудного селектора 1, и соответственно блока 5 выделения максимума и минимума и блока сравнения 6. Так как рассматривается главное значение угла для первого квадранта, то входные сигналы имеют одинаковые знаки. Блок 5 выделения максимума и минимума выделяет, к примеру, на первом своем выходе максимальное из двух напряжение U1-1, а на втором минимальное напряжение U1-2, которое поступает, к примеру, на второй вход блока деления 2, являющийся входом сигнала-делимого. Максимальное напряжение U1-1 поступает на первый вход блока деления 2, являющийся входом сигнала делителя. Таким образом на выходе блока деления 2 получают напряжение U2, пропорциональное отношению (U1-2/(U1-1)=K
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
U2=U0K, (2)
где k=X/Y=Ux/Uy при Ux
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
U3=Uc-c
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
и
U3=U3 max для всех остальных значений U2,
где Uc=A
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
U3 max напряжение, при котором коэффициент передачи по первому входу управляемого сумматора 4 равняется единице. В данном случае для простоты примем U3 max=Uоп. Условие U3
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
U3=U3 max
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
Учитывая из (2), что K=U2/U0, можно записать:
U3=U3 max(A-aK). (4)
Это напряжение U3 поступает на четвертый вход управляемого сумматора 4, а на его третий (управляющий) вход с третьего выхода амплитудного селектора 1 поступает логический сигнал U1-3, управляющий работой ключа 8, который подключает к второму входу управляемого блока 7 вычитания либо напряжение, равное нулю, либо напряжение Uоп. Блок сравнения 6 может быть построен различными путями при сравнении одного из входных сигналов с другим входным или любым из выходных сигналов блока 5 выделения максимума и минимума (поэтому он входит в состав амплитудного селектора, а не выделен в отдельный блок). При Ux < Uy на третьем выходе амплитудного селектора 1 устанавливается, к примеру, логический "0", который подключает к второму входу блока 7 вычитания напряжение, равное нулю. В этом случае на первый и второй входы блока 7 вычитания поступают напряжения U=U2 и U=U0 соответственно. Коэффициент передачи по первому входу блока 7 вычитания управляется при помощи напряжения U3, поступающего с выхода сумматора 3. Это напряжение имеет величину в соответствии с выражениями (3), (4), поэтому выходное напряжение можно записать следующим образом:
Uвых=U2
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
где U2=U0
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
Uвых=Uоп-U2
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
Uвых=arctg(X/Y)=K
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/183.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
и
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085994/2085994-3t.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
где f(K)=A-aK для f(K) < 1,
f(K)=1 для f(K)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8805.gif)
A, a коэффициенты, выбираемые из условия минимизации погрешности аппроксимации. Погрешность аппроксимации q можно получить из следующего выражения: q= 1-[K(A-aK)/arctgK для K
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085005/8773.gif)
![тригонометрический преобразователь, патент № 2085994](/images/patents/387/2085024/177.gif)
блок деления 2 [5а]
сумматор 3 и блок 7 вычитания [5б]
каскад с ограничением стабилитрон в цепи обратной связи операционного усилителя блока деления или сумматора можно [5в]
управление по первому входу управляемого блока 7 вычитания осуществляется либо с помощью изменения сопротивления резистора по этому входу с помощью напряжения, либо с использованием управляемого делителя напряжения как в [5г]
блок 5 выделения максимума и минимума [5д]
блок сравнения 6 [5е]
ключ 8 можно серии 590КН. Используемые источники информации. 1. Патент США N 3792246, кл. 235-186, 1974. 2. Авт. свид. СССР N 1300504, кл. G 06 G 7/22, 1987. 3. Авт. свид. СССР N 624363, кл. G 06 G 7/22, 1978. 4. Справочник по нелинейным схемам./Под ред. Д.Шейнголда. М. Мир, 1977, с. 176 (прототип). 5. А. Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Сов. радио, 1980: а) с. 100-101; б) с. 77; в) c. 195-196; г) с. 63; д) с. 177; е) с. 168.
Класс G06G7/22 для нахождения тригонометрических функций; для преобразования координат; для вычисления с помощью векторных величин