книги из ГПНТБ / Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины

выполнено с любой практически необходимой точностью. Основ­ ные источники ошибок второго этапа:

— неопределенность в расположении сигналов УИ1 и УИ2 от­ носительно синхронизирующих импульсов СИ;

— нестабильность частоты генератора ГСИ.

В течение периода Тс„ импульса генератора ГСИ управляю­ щие сигналы УИ[ и УИ2 могут появиться в любой момент с рав­ ной вероятностью. При этом создаются две погрешности в изме­ рении временного интервала (рис. 11.12), одна из которых (ДтО положительна, так как измеренный временной интервал больше фактического (первый импульс СИ, пройдя на счетчик, представ­ ляет величину Тси, в то время как ТCh>Ati), а другая (Дт2) от-

Рис. 11.12. Расположение управляющих импуль­ сов относительно синхронизирующих

рицательна. Погрешность Дц легко ликвидируется путем синхро­ низации У!^ с синхронизирующими импульсами с помощью, на­ пример, делителя частоты (рис. 11.11, а). Коэффициент деления делителя частоты выбирается в соответствии с максимальной дли­ тельностью временного интервала, пропорционального их, и часто­ той /СпПогрешность Дт2, которая принципиально неустранима, мо­ жет быть уменьшена за счет повышения частоты /си-

Основными причинами, вызывающими погрешность преобразо­ вания напряжения во временной интервал, являются следующие:

—отклонения скорости изменения напряжения Нф от номи­ нальной;

—нелинейность развертки напряжения и$\

—неточность определения момента совпадения их и «ф.

Первые две причины обусловлены точностью работы фантастрона, а последняя — чувствительностью нуль-органа (схемы сравнения).

В качестве нуль-органа обычно применяются амплитудные компараторы. Примером может служить диодно-регенеративный компаратор (рис. 11.13) с управляемым коэффициентом обратной связи [46]. На вход компаратора подаются отрицательные преоб­ разуемое напряжение их и пилообразное напряжение « ф . Усили­ тельный каскад собран на транзисторе Т, в коллекторной цепи которого включен трансформатор с выходной обмоткой WBHX и обмотками обратной связи. Обмотки W\ и W2 включены так, что

360

через Wi осуществляется положительная обратная связь, а через W2— отрицательная.

>1 — иф1» диод Д, открыт, а диод Д2 закрыт, так как к его аноду приложено более отрицательное напряжение, переданное через открытый диод Дь В этом случае действует положительная обрат­ ная связь: на базу транзистора прикладывается напряжение с об-

Р ис. 11.13. Д и о д и о - р е г е н е р а т и в н ы й к ом п ар атор с у п р а в л я е м ы м к о эф ф и ц и е н т о м о б р а т н о й связи

чего схема не генерирует. В начале очередного цикла преобразо­

стотой, определяемой параметрами схемы.

Быстродействие подобных компараторов определяется следую­ щими факторами:

— при переходе к генерации — временем формирования фронта выходного импульса (это время составляет 0,1—0,3 мксек);

— при срыве генерации — дискретным характером выходного сигнала, вследствие чего ошибка в определении момента совпа­ дения их и Цф может быть равна периоду следования импульсов блокинг-генератора.

Чувствительность диодно-регенеративных амплитудных ком­ параторов находится в пределах от 20—30 до 0,2—0,5 мв.

361

Преобразуемое напряжение их может быть как положитель­ ной, так и отрицательной полярности, поэтому для фиксации знака необходимо в счетчике иметь знаковый разряд. Один из возмож­ ных способов учета знака состоит в том, что в схеме преобразо­ вателя имеется один амплитудный компаратор, сравнивающий на­ пряжения, например, только положительной полярности. Если же их имеет отрицательную полярность, то оно предварительно инвер­ тируется. При этом вырабатывается сигнал, который устанавли­ вает триггер знакового разряда счетчика в единичное положение.

Другой способ учета знака их предусматривает наличие двух компараторов, в одном из которых осуществляется сравнение пи­ лообразного напряжения с нулевым, а в другом— сравнение пило­ образного напряжения с преобразуемым. Последовательность их срабатывания определяется полярностью пх. Если от фантастрона на компараторы поступает линейно-падающее напряжение, а на­ пряжение их отрицательно, то сначала срабатывает первый ком­ паратор (компаратор нуля), а затем второй. При положитель­ ном их последовательность срабатывания компараторов будет об­ ратной. Фиксация очередности срабатывания производится тригге­ ром знака счетчика, нулевой вход которого подключен к выходу первого компаратора, а единичный — к выходу второго.

Если их положительно, то сигналом от второго компаратора триггер знака сначала устанавливается в положение 1, а затем сигналом от первого компаратора возвращается в нулевое поло­ жение. Следовательно, со счетчика будет считано положительное число. При отрицательном их сигнал сначала поступает на нулевой вход триггера знака, не изменяя его состояния, а затем на единич­ ный, устанавливая триггер в положение 1. Со счетчика будет счи­ тано отрицательное число.

Преобразователи напряжения в код с промежуточным преоб­ разованием во*временной интервал обладают следующими преиму­ ществами: простотой схемного построения, возможностью использо­ вания широко известных и хорошо отработанных элементов, удоб­ ством построения многоканальных схем, сравнительно высокой точностью преобразования (0,1—0,5% и даже 0,025%).

Быстродействие таких преобразователей ограничивается, глав­ ным образом, допустимой частотой следования синхронизирующих импульсов, т. е. частотными характеристиками триггеров счет­ чика.

Преобразователи сравнения и вычитания с обратной связью.

Общая идея построения преобразователей сравнения и вычитания состоит в том, что мгновенное значение преобразуемого напряже­ ния Ux последовательно сравнивается с рядом известных эталон­ ных напряжений Ug, величины которых образуют убывающую по­ следовательность чисел, являющихся целыми степенями основа­ ния 2 (например, 256, 128, 64, 32 и т. д.). Если эталонное напря­ жение больше 0 Х, то оно пропускается и для сравнения берется следующее меньшее эталонное напряжение. При этом на выходе преобразователя в данном разряде кода фиксируется нуль. Если

362

же эталонное напряжение меньше преобразуемого, то оно вычи­ тается из последнего и в данном разряде кода фиксируется еди­ ница. В результате на выходе образуется код, эквивалентный ве­

личине и х- Преобразователи сравнения и вычитания могут быть разде­

лены на две большие группы:

— преобразователи без цепи обратной связи, разделяющиеся

всвою очередь на многоэталонные и одноэталонные;

—преобразователи, имеющие обратную связь между выходом

ивходом.

Преобразователи первой группы построены по типу разомкну­ тых систем. Имеющаяся в них обратная связь охватывает только один каскад преобразователя, поэтому сравнение и вычитание производятся внутри каждого каскада последовательно, начиная с каскада, который обеспечивает формирование значения старшего разряда кода.

Преобразователи без обратной связи — многоэталонные и одно­ эталонные— являются довольно сложными и обеспечивают срав­ нительно невысокую точность преобразования — 0,8—0,4%, что со­ ответствует семи — восьми двоичным разрядам. Быстродействие их очень высокое: время одного цикла составляет около 10 мксек. Это объясняется тем, что полный цикл преобразования состоит из операций покаскадного сравнения и вычитания, которые на элек­ тронных схемах выполняются за доли микросекунды.

В преобразователях второй группы, построенных в виде замк­ нутых систем, U:с всегда сравнивается с суммой эталонных напря­ жений, поступающих по цепи обратной связи. Они относятся к ка­ тегории двусторонних преобразователей со сравнением аналоговых величин. Одним из основных элементов в их схеме является пре­ образователь кода в напряжение, варианты построения которого описаны ниже.

Точность работы преобразователей с обратной связью опреде­ ляется точностью работы схемы сравнения и преобразователя кода в напряжение, включенного в цепь обратной связи. Она составляет примерно 0,1%, достигая в некоторых случаях 0,025%, что соот­ ветствует 12-разрядному двоичному числу.

Рассмотрим работу циклического преобразователя напряжения

единице старшего разряда кода (рис. 11.14). Преобразуемое на­ пряжение Ux подается через резистор Ro на вход суммирующего операционного усилителя постоянного тока с отрицательной об­ ратной связью.

В цепи обратной связи преобразователя имеется ' матрица ре­ зисторов R„, Rn-i, •••, Ri, величина которых пропорциональна по­ следовательности чисел, представляющих собой целые степени ос­ нования 2, т. е. R j: R2: Rs : ...: R„ = 2n_1:2"~2: 2"~3:. ..: 2°.

Такие резисторы называются «взвешенными». Они подключа­ ются на вход усилителя с помощью вентилей Bn, B„_i, , . Bi,

363

которые управляются сигналами, поступающими с единичных вы­

ГСИ, распределяет их на своих выходах всегда в последователь­ ности п, п', п — 1, (n — 1)', .... 1, 1', т. е. последним появляется сигнал на выходе V.

Рис. 11.14. Циклическим преобразователь напряжения в код

собратном связью

Впроцессе преобразования производится сравнение «взвешен­ ных» токов (т. е. токов, пропорциональных последовательности чисел, являющихся целыми степенями основания 2), протекающих

через резисторы R„, Rn-ь ..., Ri, с током /0, протекающим че­ рез RoОперации сравнения и вычитания выполняются с помощью усилителя.

В начале очередного цикла преобразования триггеры регистра устанавливаются в нулевое положение. Затем появляется импульс на выходе п коммутатора, которым триггер Тг/г переводится в единичное положение. При этом вентиль Вп открывается и рези­ стор Rn подключается к входу усилителя. Тогда, учитывая направ­ ление токов, имеем

/о — Лз.с Iп

361

где /„, Iо.с — токи, протекающие соответственно через резисторы R„

и Ro.c.

Но

,Ux - ит .

где £/вх, t/вых ■—напряжения на входе и выходе усилителя соответ­ ственно.

Подставляя эти значения в (11.24) и учитывая, что в схеме преобразователя принимается R„ = Ro, получаем

где Ку — коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Поэтому

Напряжение UBbix подается на электронное реле. Если /Увых положительно, на выходе реле будет также положительное напря­ жение, достаточное для открывания вентилей В'п, B'n_v ■.., В\.

Следовательно, в зависимости от.знака напряжения £/вых импульс, появившийся на выходе п' коммутатота, проходит или не проходит

365

вследствие чего вентиль В„ закрывается и резистор Rn отключает­ ся от входа усилителя. Если же Н„ых<0, т. е. UX>U 3, триггер Тг/г остается в единичном положении, резистор R„ через открытый вентиль В„ по-прежнему связан с входом усилителя, и ток /„ бу­ дет участвовать в дальнейшем процессе преобразования.

На этом заканчивается первый этап очередного цикла преобра­ зования. В результате его выполнения формируется значение стар­ шего разряда кода, определяемого положением триггера Тгп; оно равно 1, если E/.v> £/э, или равно 0, если UX<U3.

Пусть в результате первого этапа в старшем разряде кода по­ лучена 1, т. е. триггер Тгп остался в единичном положении. В на­

поэтому

или

366

получается либо 0, либо 1. На этом заканчивается второй этап преобразования.

В конце цикла преобразования, после того как коммутатор вы­

причем величина ал принимает значение 1 или 0.

Таким образом, в конце цикла в регистре фиксируется код, пропорциональный Ux.

Основными факторами, которые ограничивают точность пре­ образования напряжения в код в рассмотренной схеме, являются точность изготовления «взвешенных» резисторов, стабильность эта­ лонного напряжения, дрейф нуля усилителя, чувствительность электронного реле.

§ 11.7. Преобразователи цифровых кодов в аналоговые величины

Для осуществления связей ЦВМ с аналоговыми машинами и устройствами в основном используются преобразователи двоич­ ных цифровых кодов в электрические величины, как правило, в напряжения постоянного тока; применяются также преобразова­ тели кодов во временные интервалы. Преобразователи цифровых кодов в механические перемещения используются сравнительно редко. Основным способом преобразования кодов в напряжения является суммирование напряжений или токов, «взвешенных» по двоичному закону, т. е. относящихся друг к другу как целые сте­ пени числа два. Такие напряжения или токи получают с помощью специальных схем, включающих в свой состав либо набор рези­

367

сторов с номиналами сопротивлений, относящихся друг к другу как целые степени числа два, либо сетки, или аттенюаторы, ре­ зисторов.

Преобразователи с суммированием напряжений на аттенюа­ торе резисторов. Такие преобразователи — одни из наиболее про­ стых схем, преобразующих коды в напряжения. В них исполь­ зуется только один источник эталонного напряжения, а преобра- зующе-суммирующая часть строится на резисторах с сопротивле­ ниями всего двух номиналов. Несмотря на простоту схемы такие преобразователи позволяют осуществлять преобразования кодов с относительной погрешностью около 0,1 % •

Принципы построения преобразователей с суммированием на* пряжений на аттенюаторе резисторов рассмотрим на примере схе­ мы рис. 11.15, преобразующей 4-разрядные коды. Собственно пре- образующе-суммирующая часть схемы включает ключи К и атте­

ча, управляемых напряжениями с выходов соответствующего триг­ гера. Если триггер Trt находится в состоянии 1, то открыт ключ Кт, и эталонное напряжение Нэт через точки деления Ni ат­ тенюатора подается на выход схемы. Если триггер Тп находится в состоянии 0, то открыт ключ К- и соответствующая точка деле­

ния N{ через сопротивление 2R подключается к общей шине, на­ ходящейся под нулевым потенциалом.

368

Как следует из рассмотрения схемы рис. 11.15, весь преобразо­ ватель состоит из одинаковых разрядных элементов. При этом в каждой разрядной схеме нагрузкой для источника эталонного напряжения является эквивалентное сопротивление, равное 3R. Поэтому коэффициент передачи напряжения от ключа, т. е. от точки Mi, к точке N{ равен 1/3. Коэффициент же передачи напря­ жения от точки Ni к точке N{+\ равен 1/2, что и требуется для «взвешивания» разрядных напряжений. Для установления значе­ ний коэффициентов передачи строят эквивалентные схемы для слу­ чаев преобразования кодов с единицей в одном из разрядов [17].

Учитывая значения коэффициентов передачи напряжений, по­ лучаем в случае «-разрядного преобразователя

Таким образом, рассмотренная схема действительно преобра­ зует двоичные цифровые коды в пропорциональные им напряже­ ния постоянного тока.

Преобразователи с суммированием токов на аттенюаторе рези­ сторов относятся к числу наиболее точных преобразователей ко­ дов в электрические величины. Высокая точность преобразования достигается за счет использования в каждом разряде отдельного стабилизированного источника тока и обеспечения одинаковой на­ грузки для всех разрядных источников тока. Постоянство нагруз­ ки для источников достигается построением схемы аттенюатора, включающего в свои состав резисторы с сопротивлением только двух номиналов. В рассматриваемых преобразователях исполь­ зуется только по одному ключу на каждый разряд.

Общие принципы построения преобразователей с суммирова­ нием токов на аттенюаторе резисторов не зависят от количества разрядов преобразуемых кодов. Это позволяет рассмотреть их на примере простого преобразователя (рис. 11.16). Собственно пре­

Кг, Кз и источники тока 10, К, К, 1зТриггерный регистр для раз­ мещения преобразуемого кода может и не относиться к схеме преобразователя. Все используемые в схеме источники тока имеют одинаковую величину тока I и очень большое внутреннее сопро­ тивление, что практически исключает взаимовлияние источников при их подключении к схеме аттенюатора.

Преобразование кода в напряжение в схеме рис. 11.16 проис­ ходит следующим образом. Триггеры регистра исходного кода

то соответствующий триггер находится в состоянии 1 и открывает ключ Kj. Источник Ij подключается к схеме аттенюатора, и его ток участвует в формировании выходного напряжения. Этот ток, протекая по резисторам, создает падение напряжения, которое с

369