Синусно-косинусный функциональный преобразователь
SINUSO-COSINE FUNCTIONAL CONVERTER

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к частотно-импульсным вычислительным устройствам.
Известен синусно-косинусный функциональный преобразователь, содержащий два преобразователя код-частота, охваченных отрицательной обратной связью, причем каждый преобразователь содержит счетчик результата, соединенный группой элементов И-ИЛИ. Кроме того, имеется также регистр аргумента и развертывающий счетчик, соединенные с блоком сравнения [Воронов А.А. и др. Цифровые аналоги для систем автоматического управления, АН СССР, 1960, с. 184].
Недостатком такого преобразователя является сравнительно низкое быстродействие, обусловленное спецификой работы частотно-импульсных вычислительных устройств.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является синусно-косинусный функциональный преобразователь [А.с. №732884, СССР, 1980], содержащий регистр аргумента, выходы которого соединены с первой группой входов блока сравнения, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов развертывающего счетчика, вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, два основных преобразователя код-частота, каждый из которых содержит счетчик результата и группу элементов И-ИЛИ, причем выходы счетчика результата соединены с первыми входами элементов И-ИЛИ группы, вторые входы которых соединены с второй группой выходов развертывающего счетчика, выходы элементов И-ИЛИ группы первого и второго основных преобразователей код-частота через соответствующие элементы И блокировки соединены, соответственно, с первыми входами счетчиков результата второго и первого основных преобразователей код-частота, управляющие входы которых соединены с выходами блока управления и установки начальных условий, управляющие входы элементов И блокировки соединены с первым выходом блока сравнения, введены два дополнительных преобразователя код-частота, каждый из которых содержит счетчик результата, группу элементов И-ИЛИ и группу элементов И.
Однако недостатком этого преобразователя является низкая точность функционального преобразования по закону синуса и косинуса.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности функционирования устройства.
Технический результат - точное преобразование цифровых значений синуса и косинуса для заданного значения их аргумента.
Технический результат достигается предложенным синусно-косинусным функциональным преобразователем, содержащим содержащий регистр аргумента, выходы которого соединены с первой группой входов блока сравнения, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов развертывающего счетчика, вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, два основных преобразователя код-частота, каждый из которых содержит счетчик результата и группу элементов И-ИЛИ, причем выходы счетчика результата соединены с первыми входами элементов И-ИЛИ группы, вторые входы которых соединены с второй группой выходов развертывающего счетчика, выходы элементов И-ИЛИ группы первого и второго основных преобразователей код-частота через соответствующие элементы И блокировки соединены соответственно с первыми входами счетчиков результата второго и первого основных преобразователей код-частота, управляющие входы которых соединены с выходами блока управления и установки начальных условий, управляющие входы элементов И блокировки соединены с первым выходом блока сравнения, введены два дополнительных преобразователя код-частота, каждый из которых содержит счетчик результата, группу элементов И-ИЛИ и группу элементов И, причем выходы старших и младших разрядов счетчика результата соединены соответственно с первыми входами элементов И группы и элементов И-ИЛИ группы, выходы элементов И-ИЛИ группы и элементов И группы первого и второго дополнительных преобразователей код-частота через соответствующие дополнительные элементы И блокировки соединены соответственно со вторыми входами счетчика результата второго и первого основных преобразователей код-частота, в каждый из основных преобразователей, код-частота введена группа элементов И, причем выходы старших разрядов счетчика результата соединены с первыми входами элементов И группы, вторые входы элементов И групп обоих основных и дополнительных преобразователей код-частота соединены со вторым выходом генератора тактовых импульсов, выходы элементов И группы первого и второго основных преобразователей код-частота через соответствующие элементы И блокировки соединены с первыми входами счетчика результата, соответственно, второго и первого основных преобразователей код-частота, вторые входы элементов И-ИЛИ группы обоих дополнительных преобразователей код-частота соединены с соответствующими выходами развертывающего счетчика, выходы переноса счетчика результата первого и второго основных преобразователей код-частота соединены, соответственно, со входами счетчиков результата первого и второго дополнительных преобразователей код-частота управляющие входы дополнительных элементов И блокировки соединены со вторым выходом блока сравнения.
Кроме того, в синусно-косинусный функциональный преобразователь дополнительно в каждый счетчик результатов, включены в качестве самых младших (2n+1)-ых разрядов (n-разрядность результата) одноразрядные двоичные счетчики, логические элементы И блокировки, логические элементы И-ИЛИ, по входу связанные с выходом одноразрядных счетчиков, входы которых связаны с выходами логических элементов И блокировки, причем вход логического элемента И (2n+1)-го разряда каждой группы соединен с инверсным выходом самого старшего разряда одноименного счетчика результата синуса или косинуса.
Это является новым техническим решением в технике функциональных преобразований, поскольку результаты проведенного заявителем анализа аналогов и прототипа не позволили выявить признаки, тождественные всем существенным признакам данного изобретения.
Предложенное устройство 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 позволяют повысить достоверность (точность) выходного результата.
Предложенное устройство для вычисления функций промышленно применимо, поскольку его техническая реализация возможна с использованием типовых элементов микроэлектронной техники (интегральных логических схем).
На чертеже представлена структурная схема предложенного синусно-косинусного функционального преобразователя.
Синусно-косинусный функциональный преобразователь содержит регистр 1 аргумента, блок 2 сравнения, развертывающий счетчик 3, генератор 4 тактовых импульсов, блок 5 управления и установки начальных условий, основные преобразователи 6 и 7 код-частота (точного отсчета), дополнительные преобразователи 8 и 9 код-частота (грубого отсчета), старшие 10 и 11 и младшие 12 и 13 разряды счетчиков результата, группы элементов 14-17 И, группы элементов 18-21 И-ИЛИ элементы 22 И блокировки, дополнительные элементы 23 И блокировки.
/
/
/
/
/
Кроме того, преобразователь содержит два одноразрядных двоичных счетчика 12, два логических элемента И 14 и 15, два логических элемента И-ИЛИ 18 и 19.
В основу принципа функционирования предлагаемого преобразователя положены формулы, обеспечивающие повышенную точность за счет численного интегрирования дифуравнений по методу трапеций [Булатникова И.Н. Целочисленные алгоритмы генерации гармонических сигналов // Изв. вузов, Северо-Кавказский регион, Техн. наук, 2005, №3, с. 13-17].
Их сущность заключается в следующем.
n
-n
Обозначим  и . М - масштабный коэффициент М=2, i - величина 2 в масштабе 1:М.
i
i
Тогда приращения величин S и Q на единичном интервале (i, i+1)
будут
/
/
Формулы (1) и (2) получены на основе усреднения производных в начале и в конце единичного интервала. При этом учтено, что (sinx)=cosx, (cosx)=-sinx.
Упрощая, имеем систему уравнений
i
i
Решая ее относительно ΔS и ΔC, получаем
2
2
Учтя, что 4М>>1, разделим на 4М выражения (5) и (6)
n
Окончательно учтя, что М=2, имеем
1
2
где N - содержимое счетчика результата первого преобразователя "код-частота", N - содержимое счетчика результата второго преобразователя "код-частота",  - частота генератора 4 тактовых импульсов, n - разрядность кодов аргумента и функций.
Синусно-косинусный функциональный преобразователь работает следующим образом.
Предварительно с помощью блока 5 управления и установки начальных условий осуществляется начальная установка счетчиков результата основных 6, 7 и дополнительных 8, 9 преобразователей код-частота. Затем на регистр 1 аргумента записывается двоичный код аргумента X, после чего включается генератор 4 тактовых импульсов. Дальнейшая работа устройства проходит в два этапа.
На первом этапе - этапе обработки грубого отсчета (ГО) - многосимвольные частотно-импульсные последовательности с выходов основных 6, 7 и дополнительных 8, 9 преобразователей код-частота поступают соответственно на первые и вторые входы счетчиков результата основных 6, 7 преобразователей код-частота. Обработка ГО заканчивается по сигналу с блока 2 сравнения при совпадении кодов в развертывающем счетчике 3 и в старших разрядах регистра 1 аргумента. По этому сигналу отключаются вторые входы счетчиков результата основных 6, 7 преобразователей код-частота с помощью дополнительных элементов 23 И блокировки и начинается второй этап - этап обработки точного отсчета (ТО). При этом работают только основные преобразователи 6 и 7 код-частота.
Работа устройства заканчивается по сигналу из блока 2 сравнения при совпадении кодов в развертывающем счетчике 3 и в младших разрядах регистра 1 аргумента.
В результате в счетчиках результата образуется синус X и косинус X.
/
/
/
/
/
В работе преобразователя участвуют одноразрядные двоичные счетчики 12, логические элементы И 14 и 15, а также логические элементы И-ИЛИ 18 и 19, которые встроены в группы первого и второго основных преобразователей 6 и 7 код-частота (точного отсчета).
Таким образом, данный преобразователь обеспечивает более точное преобразование цифровых значений синуса и косинуса для заданного значения их аргумента.