Результат интеллектуальной деятельности: Цифровой преобразователь координат

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может найти применение в специализированных вычислительных устройствах дискретного действия и электроизмерительных приборах для вычисления по известным ортогональным проекциям измерительной величины ее амплитуды и фазы и наоборот.

Известные устройства аналогичного назначения содержат генератор импульсов, счетчики импульсов, счетчик фазы с шифратором и различителем квадрантов, блок управления, ключи и схему переноса.

Но они не выполняют некоторые операции. Например, по амплитуде и фазе найти ортогональные проекции.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой преобразователь координат [а.с. СССЗ №453690, 1975 г.], содержащий суммирующие и реверсивный счетчики, генератор импульсов, счетчик фазы, соединенный с шифратором и различителем квадрантов, ключи, блок управления и схему переноса. Кроме того, содержит блоки умножения, один из входов которых соединены с шифратором, другие через первый ключ с генератором импульсов и через реверсивный счетчик со схемой переноса, который подключен к суммирующим счетчикам, а выходы блоков умножения соединены с одними из входов второго и третьего ключей, подключенных к суммирующим счетчикам и блоку управления, соединенному с реверсивным счетчиком, схемой переноса, счетчиком фазы и первым ключом и компаратор, входы которого соединены с одними из выходов второго и третьего ключей, а выход - с блоком управления.

Его недостатком является низкая достоверность результатов.

Задача изобретения - совершенствование преобразования координат.

Технический результат - обеспечение полной достоверности результатов за счет оптимальных связей между блоками преобразователя.

Технический результат в цифровом преобразователе координат, содержащем суммирующие и реверсивный счетчики, генератор импульсов, счетчик фазы, соединенный с шифратором и различителем квадрантов, ключи, блок управления, схему переноса, кроме того содержащий блоки умножения, один из входов которых соединен с шифратором, другие через первый ключ с генератором импульсов и через реверсивный счетчик со схемой переноса, подключенной к суммирующим счетчикам, а выходы блоков умножения соединены с одними из входов второго и третьего ключей, подключенных к суммирующим счетчикам и блоку управления, соединенному с реверсивным счетчиком, схемой переноса, счетчиком фазы и первым ключом, и компаратор, входы которого соединены с одним из выходов второго и третьего ключей, а выход - с блоком управления, достигается за счет разделения каналов (линий) управления вторым и третьим ключами со стороны блока управления, а также за счет изменения направления хода сигналов между первым ключом, блоком умножения и реверсивным счетчиком и между цифровым компаратором и блоком управления на противоположное.

Это является новым техническим решением, поскольку результаты проведенного заявителем анализа аналогов и прототипа не позволили выявить признаки, тождественные всем существенным признакам данного изобретения.

Предложенный цифровой преобразователь координат промышленно применим, поскольку его техническая реализация возможна с использованием типовых элементов микроэлектронной техники (интегральных логических схем).

В устройстве реализуется следующий способ преобразования координат.

Пусть X и Y - проекции вектора в прямоугольной системе координат, то есть

где ϕ - угол между вектором и осью X, отсчитываемый против часовой стрелки, Z - модуль вектора .

Запишем произведения

Рассмотрим сумму модулей X' и Y':

Если выбрать

Таким образом, при β=ϕ сумма модулей |Х'| и |Y'| максимальна и равна модулю Z.

Следовательно, суть вычисления модуля Z и фазы ϕ вектора по известным значениям ортогональных составляющих X и Y сводится к выполнению операций согласно выражениям (3), (4), (5) до обеспечения условий (6) и (7).

Если заданы модуль Z и фаза ϕ вектора и необходимо решить обратную задачу - вычислить прямоугольные координаты X и Y, то в этом случае вычислителем реализуются соотношения (1) и (2).

Структурная схема предлагаемого цифрового преобразователя координат приведена на чертеже.

В состав преобразователя входят суммирующие счетчики 1, 2 кодов N_x и N_y, (проекций X, Y), схема переноса 3, реверсивный счетчик 4, блок управления 5, первый ключ 6, генератор импульсов 7, блоки умножения 8, 9, шифратор 10 дискретных значений функций sinβ и cos β, реверсивный счетчик фазы 11, ключи второй 12 и третий 13, цифровой компаратор 14 и различитель квадрантов 15.

Суммирующие счетчики 1, 2 служат для записи соответственно кодов N_x, N_y ортогональных проекций X, Y вектора Z. Эти счетчики поразрядно посредством схемы переноса 3 соединены с реверсивным счетчиком 4. Схема переноса 3 соединена с блоком управления 5, формирующим тактовые импульсы и потенциальные сигналы, синхронизирующие работу устройства.

Генератор импульсов 7 через первый ключ 6 соединен с импульсными входами обоих блоков умножения 8, 9. Потенциальные входы блоков умножения подключены к шифратору дискретных значений 10, реверсивному счетчику фазы 11, счетный вход которого соединен с блоком управления 5. Выходы блоков умножения 8, 9 через второй 12 и третий 13 ключи, соответственно, подключены, с одной стороны к счетным входам суммирующих счетчиков 1, 2 и, с другой стороны, к входу цифрового компаратора 14.

Режим работы цифрового компаратора 14 и ключей 6, 12, 13 задаются тремя управляющими сигналами блока управления 5. В свою очередь, в блок управления 5 поступают сигналы с выходов реверсивного счетчика 4 и цифрового компаратора 14.

Реверсивный счетчик фазы 11 соединен с различителем квадрантов 15.

Возможны два режима работы вычислителя:

1) режим вычисления модуля Z и фазы ϕ по известным значениям проекций X, Y;

2) режим вычисления проекций X, Y по известным значениям модуля Z и фазы ϕ;

Рассмотрим первый режим работы вычислителя.

В исходном состоянии вычислителя в суммирующие счетчики 1 и 2 записаны коды N_x и N_y проекций X, Y, соответственно.

По сигналам блока управления 5 код N_x из счетчика 1 через схему переноса 3 записывается в реверсивный счетчик 4 на вычитание и открываются первый 6 и второй 12 ключи. Через первый ключ 6 импульсы с генератора 7 поступают на блоки умножения 8, 9 и в реверсивный счетчик 4 на суммирование. На другие входы блоков умножения 8, 9 с шифратора 10 дискретных значений, управляемого реверсивным счетчиком фазы 11, полагаются соответственно cos β₀ и sin β₀ т.е. N_c0 и N_s0.

С выхода блока умножения 8 импульсы, пропорциональные произведению N_c0⋅N_x, через второй ключ 12 поступают в цифровой компаратор 14. С выхода блока умножения 9 импульсы в цифровой компаратор 14 не проходят, поскольку третий 13 ключ закрыт своим сигналом от блока управления 5. При поступлении на реверсивный счетчик 4 импульсов он переполняется (устанавливается в нулевое состояние) и на его выходе формируется импульс, поступающий на блок управления 5. С выхода блока умножения 8 в цифровой компаратор 14 поступит K⋅N_co⋅N_x импульсов, где K - коэффициент пропорциональности.

Блок управления 5 формирует управляющие сигналы, которыми показания суммирующего счетчика 2 (код N_y) через схему переноса 3 записываются в счетчик 4, первый 6 и второй 12 ключи закрываются, а третий 13 ключ открывается каждый своим сигналом от блока управления 5.

С некоторой задержкой, необходимой для завершения переходных процессов в устройстве, первый ключ 6 открывается, и импульсы с генератора 7 поступают на блоки умножения 8, 9. С этого момента в цифровой компаратор 14 поступают импульсы с выхода блока умножения 9 через открытый третий 13 ключ. При возвращении реверсивного счетчика 4 в нулевое состояние на его выходе формируется импульс, поступающий в блок управления 5. К этому моменту с выхода блока умножения 9 в цифровой компаратор 14 поступит K⋅N_co⋅N_x импульсов, которые суммируются с предыдущим количеством импульсов. В результате в цифровом компараторе 14 будет записано число импульсов

N_o=K(N_c0N_x+N_s0N_y).

С некоторой задержкой открывается первый 6 ключ и описанные выше процессы в устройстве повторяются с тем отличием, что от шифратора 10 на входы блоков умножения 8, 9 подаются коды N_cl и N_sl косинуса и синуса угла β₁=(β₀+Δβ₁), а с выходов блоков умножения 8, 9 в цифровой компаратор 14 поступают пакеты импульсов K⋅N_cl⋅N_x и K⋅N_sl⋅N_y. Суммарное количество импульсов, поступившее в цифровой компаратор 14, будет равно:

N₁=K(N_c1⋅N_x+N_sl⋅N_y).

В цифровом компараторе 14 коды N₀ и N₁ сравниваются и в зависимости от их отношения изменяются показатели реверсивного счетчика фазы 11. Если N₀<N₁, то код реверсивного счетчика фазы 11 увеличится до угла β₂ так, что Δβ₂>Δβ₁. Если же N₀>N₁, то код реверсивного счетчика фазы 11 уменьшается до , так что Δβ₂<Δβ₁. В дальнейшем работа схемы повторяется циклически до -го цикла, когда При этом код реверсивного счетчика фазы 11 соответствует углу , при котором выполняется условие (7), то есть

Очевидно, когда N₂ пропорционален модулю Z, а код записанный в реверсивном счетчике фазы 11, пропорционален ϕ.

Закон изменения Δβ_i (приращений угла β₀) определяется принятым алгоритмом уравновешивания. Наиболее просто реализуется алгоритм, при котором Δβ_i изменяется единичными ступенями, определяемыми погрешностью дискретности Δβ₁ вычисления фазы ϕ.

Различитель квадрантов 15 определяет квадрант, в котором находится вектор , и, исходя из этого, управляет работой реверсивного счетчика фазы 11.

Рассмотрим принцип действия вычислителя во втором режиме. В исходном состоянии коды модуля N_z и фазы N_ϕ записываются в реверсивный счетчик 4 и реверсивный счетчик фазы 11, соответственно, ключи 6, 12, 13 закрыты каждый своим сигналом от блока управления 5, суммирующие счетчики 1, 2 находятся в нулевом состоянии.

В зависимости от величины N_ϕ с реверсивного счетчика фазы 11 в различитель квадрантов 15 выдается сигнал, по которому определяются знаки проекций X, Y.

По сигналу блока управления 5 открываются все электронные ключи 6, 12, 13, причем два ключа 12, 13 устанавливаются в состояние, при котором к выходам блоков умножения 8, 9 подключаются соответственно суммирующие счетчики 1,2. Через открытый ключ 6 импульсы с генератора импульсов 7 поступают одновременно на блоки умножения 8, 9 и в суммирующий счетчик 4 на списывание его показаний. С выхода блоков умножения импульсы через два открытых ключа 12, 13 поступают на счетчики 1, 2, соответственно.

Когда с суммирующего счетчика 4 будет списано полностью количество импульсов N_z, импульс переполнения с его выхода поступит на блок управления 5, который закроет ключи 6, 12, 13. На этом процесс вычисления заканчивается. Очевидно количество импульсов N_x и N_y, поступившее в суммирующие счетчики 1, 2 будет пропорционально проекциям X и N, соответственно.

Введение оптимальных связей между отдельными блоками преобразователя обеспечило полную достоверность результатов его функционирования.

Благодаря разделению каналов управления вторым 12 и третьим 13 ключами со стороны блока управления 5, а также благодаря изменению направления хода сигналов между первым 6 ключом, и блоками умножения 8, 9 и реверсивного счетчика 4 и также между цифровым компаратором 14 и блоком управления 5 - на противоположное была обеспечена полная достоверность результатов его функционирования по сравнению с прототипом.