Цифровой генератор гармонических сигналов
DIGITAL GENERATOR OF HARMONIC SIGNALS

Изобретение относится к области информационно-вычислительной техники и может найти применение в испытательных системах, спектральных анализаторах и системах автоматизации научных исследований.
Известен цифровой вычислитель синуса и косинуса [АС 419896 СССР, 1974], содержащий счетчик аргумента, вход которого соединен со входом устройства и первым входом блока управления, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с вторым входом блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены к первому и второму входам соответственно сумматора приращений синуса и сумматора приращений косинуса, формирователь знаков квадрата. Его выход соединен с первыми входами реверсивных счетчиков синуса и косинуса, вход - с первым выходом счетчика аргумента.
Его недостатком является техническая сложность.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является цифровой вычислитель синуса и косинуса по [АС 682905 СССР, 1979], содержащий дешифратор, вход которого подключен ко второму выходу счетчика аргумента, выход - к третьему входу блока управления. Выходы сумматоров синуса и косинуса подсоединены ко вторым входам реверсивных счетчиков синуса и косинуса, а третьи входы - к их выходам соответственно.
Его недостатком является низкая точность функционального преобразования по закону синуса и косинуса.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности функционирования.
Технический результат - точное воспроизведение цифровых отсчетов гармонических сигналов при последовательном увеличении аргумента.
Технический результат достигается предложенным цифровым генератором, содержащим дешифратор, счетчик аргумента, вход которого соединен с входом устройства и первым входом блока управления, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму входу блока управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подсоединены к первому и второму входам соответственно сумматора приращений синуса и сумматора приращений косинуса, формирователь знаков квадранта, выходы которого соединены с первыми и третьими входами реверсивных счетчиков синуса и косинуса, а вход - с выходом счетчика аргумента, причем выходы сумматоров приращений синуса и косинуса подключены к вторым входам реверсивных счетчиков синуса и косинуса, а третьи входы сумматоров приращений синуса и косинуса - к выходам соответственно реверсивных счетчиков косинуса и синуса.
В сумматоры приращений синуса и косинуса добавлены в качестве младших, (s+1)-х разрядов одноразрядные сумматоры, управляемые старшими разрядами реверсивных счетчиков синуса и косинуса, соответственно. Это позволит обеспечить точное воспроизведение цифровых отсчетов синуса и косинуса.
Это является новым техническим решением в технике цифровых вычислительных устройств, поскольку результаты проведенного заявителем анализа аналогов и прототипа не позволили выявить признаки, тождественные всем существенным признакам данного изобретения.
Предложенный цифровой генератор имеет изобретательский уровень, так как из опубликованных научных данных и существующих технических решений явным образом не следует, что заявляемая совокупность блоков, узлов и связей между ними позволяет повысить точность функционирования.
Предложенный цифровой генератор промышленно применим, поскольку его техническая реализация возможна с использованием типовых элементов микроэлектронной техники (интегральных логических элементов).
На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового генератора гармонических сигналов, на фиг. 2 - то же для его блока управления.
Цифровой генератор гармонических сигналов содержит генератор тактовых импульсов 1, блок 2 управления, сумматоры приращений синуса 3 и косинуса 4, формирователь 5 знаков квадрантов, реверсивные счетчики синуса 6 и косинуса 7, счетчик 8 аргумента, дешифратор 9, одноразрядные сумматоры 22 и 23, находящиеся в составе каждого из сумматоров 3 и 4 в качестве их младшего, (s+1)-го разряда. Остальные s разрядов каждого из сумматоров приращений 3 и 4 составляют сумматоры 22' и 23' соответственно.
Блок 2 управления содержит делитель 10 частоты, первый 11 и второй 12 распределители импульсов, логические элементы И 13 и ИЛИ 14, входы блока управления 15, 16, 17, выходы - 18, 19, 20, 21.
В основу принципа действия предлагаемого генератора положены формулы, обеспечивающие повышение точности за счет численного интегрирования дифуравнений по методу трапеций [Булатникова И.Н. Целочисленные алгоритмы генерации гармонических сигналов // Изв. вузов, Северо-Кавказский регион, Техн. науки, 2005, №3, с. 13-17].
Их сущность заключается в следующем. Обозначим  и , М - масштабный коэффициент  (s - разрядность результата), i - номер итерации и одновременно величина аргумента в масштабе 1:М.
i
i
Тогда приращения величин S и C на единичном интервале (i, i+1) будут следующими:
Формулы (1) и (2) получены на основе усреднения производных в начале и конце единичного интервала между соседними итерациями. При этом учтено, что производная от синуса равна косинусу, а производная от косинуса равна минус синус.
Упрощая, имеем систему уравнений
i
i
Решая ее относительно ΔS и ΔC, получаем
2
2
Упростим знаменатель (4М>>1), и, разделив на 4М, имеем
Окончательно, учтя, что , имеем
S
где S - разрядность выходных результатов; i - номер итерации и цена одного импульса аргумента в масштабе 1:2.
Алгоритмы (9) и (10) позволяют формировать отчеты с помощью сумматоров приращений синуса 3 и косинуса 4, а также реверсивных счетчиков синуса 6 и косинуса 7.
Приращения для этих счетчиков (+1, -1 младшего разряда) формируются как сигналы переполнения сумматоров. Реверсивные счетчики синуса и косинуса подсчитывают значение функции, прибавляя или вычитая приращения из текущего значения функции в зависимости от квадранта. Так, для функции синуса в первом и третьем квадрантах реверсивный счетчик должен быть включен на сложение, а во втором и четвертом - на вычитание, для функции косинуса во втором и четвертом квадрантах - на сложение и в первом и в третьем - на вычитание. Устройство работает следующим образом.
При поступлении импульса на вход вычислителя запускается первый распределитель 11 импульсов в блоке 2 управления. Первый импульс с распределителя 11 импульсов поступает на первый вход логического элемента 13 И, на второй вход которого подается разрешение с дешифратора 9, соответствующее ряду значений аргумента, при которых происходит дополнительный цикл расчета. Дешифратор 9 служит корректирующей цепью для обеспечения соответствия значений синуса и косинуса аргумента.
Импульс с логического элемента 13 И через логический элемент 14 ИЛИ запускает второй распределитель 12 импульсов, при каждом запуске которого формируются четыре сдвинутых во времени импульса, обеспечивающих один цикл расчета функций синуса и косинуса.
Второй импульс с первого распределителя 11 импульсов через логический элемент 14 ИЛИ запускает второй распределитель 12 импульсов, при каждом запуске которого формируются четыре сдвинутых во времени импульса, обеспечивающих один цикл расчета функций синуса и косинуса.
Второй импульс с первого распределителя 11 импульсов через элемент 14 ИЛИ обеспечивает второй цикл расчета. Формирование значений функций синуса и косинуса осуществляется по тактам второго распределителя 12 импульсов. По первому и второму импульсам второго распределителя 12 производится управление суммированием числа, поступающим из реверсивного счетчика 7 косинуса.
Импульс переноса старшего разряда сумматора приращения 3 синуса, возникающий при переполнении сумматора, поступает в реверсивный счетчик 6 синуса.
Управление переключением осуществляется формирователем 5 знаков квадрантов. Третьим и четвертым тактами со второго распределителя 12 импульсов осуществляется управление суммированием числа, содержащего в сумматоре приращений 4 косинуса с числом, поступающим из реверсивного счетчика 6 синуса. Импульс переноса старшего разряда сумматора приращений 4 косинуса, возникающий при переполнении сумматора, поступает в реверсивный счетчик 7 косинуса, который включается на вычитание на углах 0, π и на сложение , .
Третьим импульсом с первого распределителя 11 импульсов обеспечивается установ начальных значений функций в реверсивных счетчиках 6, 7 и сумматорах приращений 3, 4 синуса и косинуса в момент смены квадранта. Одновременно, в реверсивных счетчиках синуса 6 и косинуса 7 сигналы переполнения подаются в младшие, (s+1)-ые разряды одноименных сумматоров приращений 3 и 4, т.е. на одноразрядные сумматоры 22 и 23, соответственно, состыкованные с s-разрядными сумматорами 22/ и 23/.
Сумматоры приращений 3,4 приращений синуса и косинуса являются типовыми и для своей работы требуют два такта сдвинутых во времени, для суммирования и записи результата суммирования в регистр хранения, чем обеспечивается режим накопления.
Блок 2 управления содержит делитель 10 частоты импульсов от генератора 1 тактовых импульсов. Деление частоты необходимо для осуществления вычислительного процесса. Так, частота импульсов с делителя 10 частоты на второй распределитель 12 импульсов может быть выбрана, например, в четыре раза большей, чем на первый распределитель 11 импульсов.
Использование дополнительных одноразрядных сумматоров позволило в два раза снизить максимальную абсолютную погрешность цифрового генерирования гармонических сигналов.