ДИСКРЕТНО-АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО
DISCRETE-ANALOGUE DEVICE

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для реализации как логических, так и арифметических операций с дискретными и аналоговыми значениями нулей и единиц.
Известны логические устройства, реализующие различные функции преобразования дискретных значений: "Многофункциональный логический модуль" (SU 1621164 А1), "Логическая схема исключающее ИЛИ с тремя входами" (JP 2867253 В2, 10098374 А), "Оптимизированные для топологии тракта передачи данных арифметические и логические функциональные схемы" (US 5982194 А).
Каждое из перечисленных устройств аналогов имеет три и более информационных входа, на которые поступают сигналы с уровнями логического нуля либо единицы, один или два информационных выхода и общие устройства - различные логические элементы. Рассматриваемые устройства построены по принципу каскадного соединения логических элементов и формируют на одном или нескольких информационных выходах значения сигналов с уровнями логического нуля либо единицы в зависимости от значений сигналов, подаваемых на их информационные входы.
К недостаткам следует отнести возможность функционирования данных устройств только с дискретными значениями сигналов, то есть с уровнями логического нуля либо единицы.
В качестве прототипа выберем наиболее близкое по технической сущности к заявляемому логическое устройство, выполненное как логическая схема на основе булевой функции (Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 336 с., на стр.112 рис.3.15, б).
Рассматриваемое логическое устройство состоит из логических элементов "ИЛИ-НЕ". Информационными входами первого логического элемента "ИЛИ-НЕ" являются первый, третий, пятый, седьмой и девятый информационные входы логического устройства. Информационными входами второго логического элемента "ИЛИ-НЕ" являются второй, третий, шестой и седьмой информационные входы логического устройства. Информационными входами третьего логического элемента "ИЛИ-НЕ" являются четвертый, пятый, шестой и седьмой информационные входы логического устройства. Информационными входами третьего логического элемента "ИЛИ-НЕ" являются восьмой и девятый информационные входы логического устройства. Информационный выход первого логического элемента "ИЛИ-НЕ" является первым информационным выходом логического устройства. Информационный выход второго логического элемента "ИЛИ-НЕ" является вторым информационным выходом логического устройства. Информационный выход третьего логического элемента "ИЛИ-НЕ" является третьим информационным выходом логического устройства. Информационный выход четвертого логического элемента "ИЛИ-НЕ" является четвертым информационным выходом логического устройства.
Недостатком устройства-прототипа является возможность функционирования только с дискретными значениями сигналов, то есть с уровнями логического нуля либо единицы.
В аппаратуре передачи дискретной информации широко используются устройства, реализующие различные логические операции. Однако в ряде случаев для улучшения точности оценки необходимо производить вычисления с использованием аналоговых значений. В этом случае возникает необходимость разработки дискретно-аналогового устройства, оперирующего как дискретными, так и аналоговыми значениями.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является расширение функциональных возможностей устройства за счет реализации как логических, так и арифметических операций с дискретными и аналоговыми значениями нулей и единиц. Аналоговые значения от 0 (нет сигнала) до 1 (максимальный уровень сигнала) могут быть получены в дробных значениях путем дискретизации, например, принимаемой псевдослучайной последовательности, сформированной на основе характеристического полинома n-го порядка, где n≥3, путем нелинейного преобразования по заданной дискретной функции. Дискретизируют ее элементы с частотой, в k раз превышающей тактовую частоту принимаемой псевдослучайной последовательности, где k≥2.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого дискретно-аналогового устройства, содержащего первый - девятый и дополнительный информационный входы, первый - тринадцатый аналоговые вычитатели, первый - четвертый аналоговые перемножители. Дополнительный информационный вход «1» устройства является первым информационным входом первого - тринадцатого аналоговых вычитателей. Первый информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом первого аналогового вычитателя. Второй информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом шестого аналогового вычитателя. Третий информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом второго аналогового вычитателя. Четвертый информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом восьмого аналогового вычитателя. Пятый информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом третьего аналогового вычитателя. Шестой информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом седьмого аналогового вычитателя. Седьмой информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом четвертого аналогового вычитателя. Восьмой информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом девятого аналогового вычитателя. Девятый информационный вход устройства соединен со вторым информационным входом пятого аналогового вычитателя. Информационный выход первого аналогового вычитателя является первым информационным входом первого аналогового перемножителя. Информационный выход второго аналогового вычитателя является вторым информационным входом первого аналогового перемножителя и вторым информационным входом второго аналогового перемножителя. Информационный выход третьего аналогового вычитателя является третьим информационным входом первого аналогового перемножителя и вторым информационным входом третьего аналогового перемножителя. Информационный выход четвертого аналогового вычитателя является четвертым информационным входом первого аналогового перемножителя, четвертым информационным входом второго аналогового перемножителя и четвертым информационным входом третьего аналогового перемножителя. Информационный выход пятого аналогового вычитателя является пятым информационным входом первого аналогового перемножителя и вторым информационным входом четвертого аналогового перемножителя. Информационный выход шестого аналогового вычитателя является первым информационным входом второго аналогового перемножителя. Информационный выход седьмого аналогового вычитателя является третьим информационным входом второго аналогового перемножителя и третьим информационным входом третьего аналогового перемножителя. Информационный выход восьмого аналогового вычитателя является первым информационным входом третьего аналогового перемножителя. Информационный выход девятого аналогового вычитателя является первым информационным входом четвертого аналогового перемножителя. Информационный выход десятого аналогового вычитателя является первым информационным выходом устройства. Информационный выход одиннадцатого аналогового вычитателя является вторым информационным выходом устройства. Информационный выход двенадцатого аналогового вычитателя является третьим информационным выходом устройства. Информационный выход тринадцатого аналогового вычитателя является четвертым информационным выходом устройства. Информационный выход первого аналогового перемножителя является вторым информационным входом десятого аналогового вычитателя. Информационный выход второго аналогового перемножителя является вторым информационным входом одиннадцатого аналогового вычитателя. Информационный выход третьего аналогового перемножителя является вторым информационным входом двенадцатого аналогового вычитателя. Информационный выход четвертого аналогового перемножителя является вторым информационным входом тринадцатого аналогового вычитателя.
Для получения дискретно-аналогового устройства необходимо заменить логические операции соответствующими им аналоговыми. Для упрощения представим исходные логические операции через операции «И» и отрицание:
Схемы аналоговых элементов, которые использованы в устройстве, известны и приведены в книге: А.А.Сикарев, О.Н.Лебедев "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М.: Радио и связь. 1983, стр.200, рис.7.11.
В таблице 1 представлены реализуемые логическая и аналоговая функции инверсии, а также таблицы истинности рассматриваемых устройств.
Таблица 1
Логическое устройство
Аналоговое устройство
Наименование
Инвертор ("НЕ")
Аналоговый инвертор
Реализуемая функция
Отрицание (инверсия) y=<img file="00000002.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
y=1-х
Таблица истинности
х
y
х
y
0
1
0
1
1
0
1
0
В таблице 2 представлены реализуемые логическая и аналоговая функции конъюнкции, а также таблицы истинности рассматриваемых устройств.
Таблица 2
Логическое устройство
Аналоговое устройство
Наименование
Конъюнктор ("И")
Аналоговый конъюнктор
Реализуемая функция
Конъюнкция y=x<sub>1</sub>x<sub>2</sub>
y=х<sub>1</sub>x<sub>2</sub>
Таблица истинности
x<sub>1</sub>
x<sub>2</sub>
у
x<sub>1</sub>
x<sub>2</sub>
y
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
В таблице 3 представлены реализуемые логическая и аналоговая функции дизъюнкции, а также таблицы истинности рассматриваемых устройств.
Таблица 3
Логическое устройство
Аналоговое устройство
Наименование
Дизъюнктор ("ИЛИ")
Аналоговый дизъюнктор
Реализуемая функция
Дизъюнкция y=х<sub>1</sub>+x<sub>2</sub>
y=х<sub>1</sub>+х<sub>2</sub>-х<sub>1</sub>x<sub>2</sub>
Таблица истинности
x<sub>1</sub>
x<sub>2</sub>
y
x<sub>1</sub>
x<sub>2</sub>
y
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
Таким образом, заменяя логические операции соответствующими аналоговыми, получим аналоговое устройство, оперирующее с аналоговыми значениями.
Аналоговое устройство реализует функции:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
где , у, у, у, у, у, у, у, у, у - аналоговые значения.В таблицах 4, 5, 6, 7 представлены таблицы истинности предлагаемого устройства.
Таблица 4
у<sub>1</sub>
у<sub>3</sub>
у<sub>5</sub>
у<sub>7</sub>
у<sub>9</sub>
<img file="00000005.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Таблица 5
у<sub>2</sub>
у<sub>3</sub>
у<sub>6</sub>
у<sub>7</sub>
<img file="00000007.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
Таблица 6
у<sub>4</sub>
у<sub>5</sub>
у<sub>6</sub>
у<sub>7</sub>
<img file="00000009.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
Таблица 7
у<sub>8</sub>
у<sub>9</sub>
<img file="00000011.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
Указанная новая совокупность признаков заявленного дискретно-аналогового устройства за счет замены логических элементов соответствующими им арифметическими позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет реализации как логических, так и арифметических операций с дискретными и аналоговыми значениями нулей и единиц.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Предложенное устройство изображено на чертеже, на котором представлена структурная схема устройства логических и арифметических операций с дискретными и аналоговыми значениями нулей и единиц.
Устройства 1.1-1.13 представляют собой аналоговые вычитатели, устройства 2.1-2.4 представляют собой аналоговые перемножители.
Устройство логических и арифметических операций с дискретными и аналоговыми значениями нулей и единиц состоит из первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого аналоговых вычитателей 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, из первого, второго, третьего, четвертого аналоговых перемножителей 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.
Дополнительный информационный вход «1» является первым информационным входом первого - тринадцатого аналоговых вычитателей 1.1-1.13.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Первый информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом первого аналогового вычитателя 1.1. Второй информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом шестого аналогового вычитателя 1.6. Третий информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом второго аналогового вычитателя 1.1. Четвертый информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом восьмого аналогового вычитателя 1.8. Пятый информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом третьего аналогового вычитателя 1.3. Шестой информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом седьмого аналогового вычитателя 1.7. Седьмой информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом четвертого аналогового вычитателя 1.4. Восьмой информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом девятого аналогового вычитателя 1.9. Девятый информационный вход устройства у соединен со вторым информационным входом пятого аналогового вычитателя 1.5. Информационный выход первого аналогового вычитателя 1.1 является первым информационным входом первого аналогового перемножителя 2.1. Информационный выход второго аналогового вычитателя 1.2 является вторым информационным входом первого аналогового перемножителя 2.1 и вторым информационным входом второго аналогового перемножителя 2.2. Информационный выход третьего аналогового вычитателя 1.3 является третьим информационным входом первого аналогового перемножителя 2.1 и вторым информационным входом третьего аналогового перемножителя 2.3. Информационный выход четвертого аналогового вычитателя 1.4 является четвертым информационным входом первого аналогового перемножителя 2.1, четвертым информационным входом второго аналогового перемножителя 2.2 и четвертым информационным входом третьего аналогового перемножителя 2.3. Информационный выход пятого аналогового вычитателя 1.5 является пятым информационным входом первого аналогового перемножителя 2.1 и вторым информационным входом четвертого аналогового перемножителя 2.4. Информационный выход шестого аналогового вычитателя 1.6 является первым информационным входом второго аналогового перемножителя 2.1. Информационный выход седьмого аналогового вычитателя 1.7 является третьим информационным входом второго аналогового перемножителя 2.2 и третьим информационным входом третьего аналогового перемножителя 2.3. Информационный выход восьмого аналогового вычитателя 1.8 является первым информационным входом третьего аналогового перемножителя 2.3. Информационный выход девятого аналогового вычитателя 1.9 является первым информационным входом четвертого аналогового перемножителя 2.4. Информационный выход десятого аналогового вычитателя 1.10 является первым информационным выходом устройства . Информационный выход одиннадцатого аналогового вычитателя 1.11 является вторым информационным выходом устройства . Информационный выход двенадцатого аналогового вычитателя 1.12 является третьим информационным выходом устройства  Информационный выход тринадцатого аналоговоговычитателя 1.13 является четвертым информационным выходом устройства . Информационный выход первого аналогового перемножителя 2.1 является вторым информационным входом десятого аналогового вычитателя 1.10. Информационный выход второго аналогового перемножителя 2.2 является вторым информационным входом одиннадцатого аналогового вычитателя 1.11. Информационный выход третьего аналогового перемножителя 2.3 является вторым информационным входом двенадцатого аналогового вычитателя 1.12. Информационный выход четвертого аналогового перемножителя 2.4 является вторым информационным входом тринадцатого аналогового вычитателя 1.13.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
3
5
7
9
2
7
4
8
Заявленное дискретно-аналоговое устройство работает следующим образом. Аналоговые значения (единица или ноль) либо дискретные значения (с уровнем логической единицы или нуля) поступают параллельно на первый y, второй у, третий у, четвертый у, пятый у, шестой у, седьмой у, восьмой у и девятый у информационные входы дискретно-аналогового устройства. На дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства поступает сигнал с уровнем логической единицы. В первом аналоговом вычитателе 1.1 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего на первый информационный вход у дискретно-аналогового устройства. Во втором аналоговом вычитателе 1.2 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с третьего информационного входа у. В третьем аналоговом вычитателе 1.3 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с пятого информационного входа у. В четвертом аналоговом вычитателе 1.4 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с седьмого информационного входа у. В пятом аналоговом вычитателе 1.5 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с девятого информационного входа у. В шестом аналоговом вычитателе 1.6 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего со второго информационного входа у. В седьмом аналоговом вычитателе 1.7 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с седьмого информационного входа у. В восьмом аналоговом вычитателе 1.8 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход " 1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с четвертого информационного входа у. В девятом аналоговом вычитателе 1.9 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с восьмого информационного входа у. В десятом аналоговом вычитателе 1.10 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с первого аналогового перемножителя 2.1. В одиннадцатом аналоговом вычитателе 1.11 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего со второго аналогового перемножителя 2.2. В двенадцатом аналоговом вычитателе 1.12 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с третьего аналогового перемножителя 2.3. В тринадцатом аналоговом вычитателе 1.13 производится вычитание из сигнала, поступающего на дополнительный информационный вход "1" дискретно-аналогового устройства, значения сигнала, поступающего с четвертого аналогового перемножителя 2.4.
В первом аналоговом перемножителе 2.1 производится перемножение сигналов, поступающих с первого, второго, третьего, четвертого и пятого аналоговых вычитателей 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5. Во втором аналоговом перемножителе 2.2 производится перемножение сигналов, поступающих со второго, четвертого, шестого и седьмого аналоговых вычитателей 1.2, 1.4, 1.6, 1.7. В третьем аналоговом перемножителе 2.3 производится перемножение сигналов, поступающих с третьего, четвертого, седьмого и восьмого аналоговых вычитателей 1.3, 1.4, 1.7, 1.8. В четвертом аналоговом перемножителе 2.4 производится перемножение сигналов, поступающих с пятого и девятого аналоговых вычитателей 1.5, 1.9.
Выход десятого аналогового вычитателя 1.10 является информационным выходом устройства  Выход одиннадцатого аналогового вычитателя 1.11 является информационным выходом устройства . Выход двенадцатого аналогового вычитателя 1.12 является информационным выходом устройства . Выход тринадцатого аналогового вычитателя 1.13 является информационным выходом устройства .