автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Реверсивные численно-импульсные функциональные преобразования

Державний університет "Львівська політехніка"

Горпенюк Андрій Ярославович

РЕВЕРСИВНІ ЧИСЛО-ІМПУЛЬСНІ ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПЕРЕТВОРЮВА 41

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 621.317 + 681.325

ЛЬВІВ -1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Державному університеті “Львівська політехніка”

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Заслужений винахідник України ДУДИКЕВИЧ Валерій Богданович,

ДУ “Львівська політехніка”, зав. кафедрою "Автоматика і телемеханіка"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор МЕЛЬНИК Анатолій Олексійович,

ДУ “Львівська політехніка”, зав. кафедрою "Електронні обчислювальні машини";

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ВОРОБЕЛЬ Роман Антонович, Фізико - механічний інститут НАН України старший науковий співробітник відділу обчислювальних методів та систеь перетворення інформації

Провідна установа:- Державний науково-дослідний інститут інформаційно інфраструктури Національного агенства з питань інформатизації прі Президентові України, відділ інформаційних технологій моделювання прогнозування складних процесів і явищ, м. Львів

Захист відбудеться “ 1998 р. о “ /^” год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052,08 у Державному університеті “Львівська політехніка” в ауд. 226 головного корпусу (290646, Львів -13, вул. С.Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка”

(290646, Львів -13, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “ 2І) ” гІіЯ'ЖО 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Щоразу складніший характер процесів, які людина амагається контролювати, обумовлює підвищення вимог до продуктивності ісобів вимірювання та контролю. Проте продуктивність таких засобів на ожному відрізку часу має певну межу, тоді як складність згаданих процесів, як равило, межі не має. Одним з шляхів розв'язання конфлікту, що виникає, є озпаралелення каналів обробки інформації та інтелектуалізація засобів збору і ередачі інформації, тобто надання таким засобам функцій первинної обробки [формації. Серед пристроїв, які застосовують для первинної обробки, ростотою структури та високою швидкодією виділяються число-імпульсні ункціональні перетворювачі (ЧІФП), призначені для обробки інформації, яка вдається число-імпульсним кодом (ЧГК). До згаданого класу перетворювачів ілежать інтегруючі ЧІФП (далі ЧІФП), основні переваги яких - можливість грепрограмування з виконання однієї функції на іншу і незначний ріст таратних затрат при підвищенні точності перетворювача. Свого часу проблеми ззробки ЧІФП виділилися з більш загальної проблематики цифрових ггегруючих машин в окремий напрямок досліджень. Таке відокремлення було Зумовлене особливостями структурної організації ЧІФП і застосуванням нових ізових вузлів, розроблених з метою ефективнішої обробки ЧІК.

Застосування нових базових вузлів, зокрема число-імпульсного дільника, ззволило розширити функціональні можливості ЧІФП і спростити їх руктуриу реалізацію. Разом з цим виникли нові проблеми, серед яких -юблема розробки аналітичної методики дослідження точності інтегруючих руктур і проблема узгодження динамічних діапазонів змінних перетворювача. ;зультатів, отриманих в напрямку вирішення першої з цих проблем, достатньо для розробки універсальної методики аналізу точності, в зв'язку з їм сьогодні основним методом дослідження ЧІФП з імпульсними зворотними 'язкамн залишається імітаційно-математичне моделювання.

З метою узгодження діапазонів змінних застосовують один з двох дходів. Суть першого з них - застосування принципу змінної розрядності. ільник із змінною розрядністю працює в значно ширшому динамічному апазоні, ніж дільник фіксованої розрядності. Проте величина приростів :зультату перетворення першого (на відміну від другого) не є сталою, що кладнює подальшу обробку такої послідовності. Суть другого підходу -ібудова ЧІФП із змінною структурою. Реалізація як одного, так і другого цходів приводить до створення ЧІФП, метрологічні характеристики яких рактеризуються підвищеним рівнем залежності від розрядності базових вузлів ретворювача. В зв'язку з цим актуальною є задача розробки такої елементної зи ЧІФП, яка забезпечує можливість керування розрядністю базових вузлів,

зокрема можливість нарощення розрядності. При цьому необхідно мінімізуват негативний вплив згаданої властивості елементної бази на швидкодію ЧІФП.

Недостатньо дослідженою є проблема обробки реверсивних ЧІК (РЧІК засобами ЧІФП з імпульсними зворотиими зв'язками. РЧІК може виникнути н проміжних етапах перетворення як результат віднімання двох ЧПС. Для обробк такого коду можна застосувати цифровий диференціальний аналізатор (ЦДА (тернарний дельта-код, обробку якого здійснює ЦДА, відрізняється від РЧБ тільки джерелом виникнення). Проте особливості ЧІФП з імпульсним зворотними зв'язками не дозволяють ефективно застосовувати в їх складі ЦД/ Тому актуальною сьогодні є задача розробки нових алгоритмів і засобів обробк; реверсивних число-імпульсних та тернарних дельта-кодів.

Особливо слід відзначити проблему підвищення швидкодії базових вузлі ЧІФП, а саме максимальної робочої частоти базових вузлів. Невирішеніст даної проблеми є причиною відмови від застосування ЧІФП для оброби швидкозмінних величин. Натомість застосовують диференціальну імпульсно кодову модуляцію з подальшою обробкою багаторозрядних приростів згадани: величин за допомогою цифрових інтеграторів, які реалізують складніш (порівняно з методом прямокутників, який лежить в основі роботи базови: вузлів ЧІФП) методи наближеного обчислення означеного інтегралу. Очевидно що такий шлях вирішення проблеми веде до складних структурних реалізацій Тому доцільним є пошук нових шляхів підвищення робочої частоти число імпульсних та реверсивних число-імпульсних базових вузлів ЧІФП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основниі зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних і практични: розробок, проведених автором при виконанні робіт згідно з держбюджетнимі темами "Перетворювачі інформації для систем комплексної автоматизації" номер державної реєстрації 019411029636 за 1995р. та "Швидкодіюч перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем", номе| державної реєстрації 0196Ш00181 за 1996-1997рр. на кафедрі "Автоматика телемеханіка" Державного університету "Львівська політехніка".

Мета роботи: - розробка нових алгоритмів функціонування та структуї реверсивних число-імпульсних функціональних перетворювачів, які дозволяюті підвищити швидкодію, спростити структурну реалізацію та розшириті функціональні можливості цифрових інтегруючих засобів функціонально обробки число-імпульсних та реверсивних число-імпульсних послідовностей.

Задачі дослідження. Згідно з поставленою метою задачами дослідження є

- аналіз особливостей реверсивних ЧІК та можливостей застосування для и обробки існуючих базових вузлів ЧІФП; розробка та дослідження новш алгоритмів та засобів обробки РЧІК та тернарних дельта-кодів, які дозволяті розширити функціональні можливості ЧІФП, підвищити їх швидкодію т;

з

кономічність; розробка та дослідження перетворювачів, синтезованих на основі ових базових вузлів, вдосконалення методик аналізу таких структур; розробка ової елементної бази реверсивних ЧІФП на основі запропонованих алгоритмів а з врахуванням особливостей ЧІФП з імпульсними зворотними зв'язками. Наукова новизна:

- розроблено ряд спеціалізованих та універсальних алгоритмів обробки еверсивних число-імпульсних кодів, досліджено особливості їх застосування, бгрунтовано можливість підвищення швидкодії та спрощення структурної еалізації базових вузлів ЧІФП шляхом застосування запропонованого лгоритму імпульсного коригування приростів результату перетворення, який озволяє організувати паралельну обробку знаків та модулів вхідних кодів азового вузла ЧІФП;

- на основі алгоритму імпульсного коригування приростів результату еретворення розроблено структуру реверсивного помножувача - базового вузла [ІФП, який за швидкодією та економічністю переважає відомі структури налогічного призначення (зокрема, цифрові диференціальні аналізатори);

- розроблено алгоритм функціонування та структуру реверсивного дільника -азового вузла, який реалізує ту саму функцію, що і схема число-імпульсного ільника, але для якого передбачено можливість як число-імпульсного, так і грнарного кодування змінної інтегрування та підінтегральної функції;

- на основі запропонованих алгоритмів обробки РЧІК розроблено алгоритм ідвищеної точності однотактного вимірювання середнього значення зсуву фаз;

- розроблено алгоритм роботи та структури конвеєрних базових вузлів, істосування яких дозволяє значно підвищити максимальну робочу частоту ІФП (максимальна робоча частота конвеєрного реверсивного помножувача не шежить від розрядності і в три рази перевищує максимальну робочу частоту б-ти розрядного реверсивного помножувача на паралельному суматорі).

Практичне значення одержаних результатів:

- з використанням запропонованих алгоритмів обробки реверсивних число-шульсних кодів розроблено нові базові вузли ЧІФП, які характеризуються інімальними апаратними затратами та високою швидкодією;

- на основі запропонованих алгоритмів та базових вузлів обробки реверсивних ІК розроблено ВІС імпульсного функціонального процесора (розробку іійснено в межах ДКР "Реконверсія-2" у Львівському НДРТІ в 1994-1995рр.);

■ з застосуванням запропонованого алгоритму підвищеної точності інотактного вимірювання середнього значення зсуву фаз розроблено ряд ункціональних блоків фазометрів середніх значень, запропоновано методику іапізу та параметричного синтезу таких структур;

• результати розробки конвеєрних базових вузлів можуть бути використані при воренні нової, більш швидкодіючої елементної бази ЧІФП.

Особистий внесок. Основний зміст роботи, всі теоретичні та основне частина практичних розробок, висновки і рекомендації, виконані і розроблен автором особисто, на основі досліджень, проведених на кафедрі автоматики телемеханіки Державного університету "Львівська політехніка", а також ) Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті. В друкованю працях, опублікованих у співавторстві, автору належать алгоритми оброби реверсивних число-імпульсних кодів, структури реверсивних дільників функціональних блоків фазометрів середніх значень, конвеєрних базових вузлії ЧІФП та результати аналізу цих структур, участь в постановці задач і в розроби та моделюванні структур реверсивних число-імпульсних помножувачів.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались на НТВ "Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікро електроніки" (Львів-Славське, лютий 1995р.), на шостій Українській НТК "Моделювання та дослідження стійкості систем" (Київ, травень 1995р.), ш третій НТК "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процеса> і конверсії виробництва" (Хмельницький, травень 1995р.), на треті? міжнародній НТК "Контроль і управління в технічних системах" (Вінниця вересень 1995р.), на другій Українській конференції з автоматичного керуванню "Автоматика-95" (Львів, вересень 1995р.), на третій Українській конференції : автоматичного керування "Автоматика-96" (Севастополь, вересень 1996р.), нг першій інтернаціональній школі моделювання (Алушта, Крим, вересень 1996р.) на десятій Польській національній конференції "Застосування мікропроцесорів в автоматиці та вимірюваннях" (Варшава, жовтень 1996р.).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів заключних висновків, списку літератури (114 найменувань), 13 додатків ті містить 224 сторінки, з яких машинописного тексту 140 сторінок, 44 сторінки : 50 рисунками, 40 сторінок з додатками.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 робіт.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгруновано актуальність роботи, подано аналіз стану проблеми сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і основні положення що виносяться на захист. Наведено дані про апробацію роботи та публікації.

У першому розділі розглянуто теоретичні основи та методику синтез) ЧІФП, проаналізовано принципи побудови базових вузлів. Зокрема зауважено що в основі синтезу ЧІФП - теорема К.Шеннона про можливість відтворенії; негіпертрансцендентних функцій за допомогою скінченного числа інтегратори та суматорів. Синтез таких ЧІФП здійснюється на основі класичної (1), абс модифікованої (2) систем рівнянь Шеннона (відповідно СРШ та МСРШ):

аУк = ауЬк = 2’"

/=о у=о

= 'к'к(еик-(>’,Р (У,У"к -ф\к = 2,п-, Ьф є {О, і} сф є {- 1,0} (2)

1=0>=0

:е у] -незалежна, у2+ У„ - залежні змінні. Для побудови ЧІФП на основі МСРШ рім інтеграторів та суматорів необхідним є пристрій, який ділить приріст мінної інтегрування на значення підінтегральної функції. Підкреслено переваги астосування число-імпульсного дільника для виконання цієї операції.

Розглянуто зміст основних етапів синтезу ЧІФП: декомпозиції, введення опоміжних змінних, диференціювання, композиції, оптимізації.

При розгляді принципів побудови базових вузлів основна увага приділена исло-імпульсним дільникам та ЦДА. Показано, що основні проблеми, які иникають при застосуванні дільника - відсутність аналітичної методики оцінки очності структури і необхідність узгодження динамічних діапазонів змінних еретворювача. Крім того, існуючого набору базових вузлів недостатньо для еалізації всіх варіантів побудови ЧІФП. Як приклад, подано результати синтезу груктури, що відтворює залежність (3) і зас-зсовується в складі фазометрів середніх значень.

Продиференціювавши (3) (к - сталий кое-іцієнт; х, у - вхідні монотонні змінні), отримаємо ороджуюче рівняння (4), яке можна розкласти в ІСРШ (5). Для реалізації перших двох рівнянь істеми можна застосувати число-імпульсні омножувачі (всі змінні, що входять в ці рівняння, монотонними). До складу останнього рівняння <одить проміжна змінна /, яка не є монотонною, ому для реалізації цього рівняння не можна істосувати число-імпульсний дільник. Для зробки тернарних дельта-кодів, якими можна закодувати немонотонні змінні, визначені ЦДА, відомі структури яких відрізняються між собою за способами здування приростів змінних та алгоритмами округлення вихідного приросту, сі відомі структури ЦДА формують вихідний приріст після здійснення операції дсумовування залишку інтегрування та значення підінтегральної функції з )ахуванням їх знаків. Тобто ЦДА містять знакові розряди, що ускладнює ірощення розрядності тих ЧІФП, які синтезовані на базі ЦДА.

Зважаючи на висвітлені проблеми, сформульована мета роботи: розробка :ких алгоритмів обробки імпульсних послідовностей і базових вузлів ЧІФП, які зжуть забезпечити: а) обробку як ЧІК, так і РЧІК, б) зміну розрядності іретЕорювачів без введення додаткових комутуючих засобів. Ще одним

г = к ■ х/у (3)

(І2 = — • (к ■ сіх - І ■ с/у) (4) к

сіа =------------сіх

СІ/3 = --ф

(5)

сіу ~ сі а - іір N _

ік

‘ dy

У

тіП'і шах ІУ;- тіп_{*'/}[>

і=1,т-1 [ /=5+1,т

* ^тах ;г< = 2>л;»= ЕМ,(б) 1=1 і

завданням роботи є підвищення максимальної робочої частоти та економічност базових вузлів ЧІФП. З метою підвищення максимальної робочої частоті застосовують, як правило, складніші (порівняно з методом прямокутників, якиі лежить в основі роботи ЦДА) методи наближеного обчислення означеногі інтегралу. Це приводить до ускладнення базових вузлів. Існують економічніш структури (наприклад, побудовані за методикою Коувараса) з високою робочок частотою. Проте вони поступаються інтегруючим за точністю перетворення.

В другому розділі наголошено на необхідності доповнення набор; базових вузлів ЧІФП за рахунок структур, які можуть обробляти тернарн дельта-коди або РЧІК. Показано, що застосування з такою метою ЦДА і недоцільним через вже згадані проблеми із нарощенням розрядност перетворювача. Показано також, що РЧІК {д^,}, як результат віднімання дво; ЧІК (Ду. = Ааі -ДД ), має властивість (6), яка дозволяє запропонувати простий достатньо ефективний алгоритм його обробки.

тіп \ у. - шах у/,}

= 1 -1 [ / = 5 + 1, т

де т - кількість ненульових приростів РЧІК за весь час перетворення.

Другою властивістю є обмеженість кількості моментів зміни знак) приростами Дх реверсивного ЧІК на протязі всього часу перетворення:

Х|Дх(.-Дх(,._і)|<2-гтах - ^0=^1 і7

І

Властивість (6) дозволяє обробляти РЧІК за допомогою число-імпульснш базових вузлів, попередньо апроксимувавши РЧПС число-імпульсним кодом Запропоновано структуру апроксимуючої схеми віднімання. Апроксимація РЧІК приводить до виникнення додаткової складової в похибці перетворення • похибки апроксимації Ла, максимальне значення якої: |Д0< Лтах. Для оцінкі

доцільності застосування алгоритму апроксимації запропоновано користуватись відомим критерієм, згідно з яким використання перетворювача є метрологічне доцільним, якщо його похибка перетворення (в даному випадку з врахуванняї, складової Дц) має однаковий порядок з трансформованою похибкок квантування. Як приклад застосування алгоритму подано схем) функціонального блоку фазометра, розроблену на основі МСРШ (5). При цьом) РЧІК {Лу,} досліджено на предмет визначення Атах. Виявлено, що Лтах = 2 Результати моделювання структури (див. 3-ій розділ роботи), підтверджують метрологічну доцільність її застосування.

Властивість (7) дозволяє обробляти засобами ЧІФП тільки модулі |Лх(

приростів РЧІК. При застосуванні цього алгоритму в похибці перетворена структури виникає додаткова складова - похибка реверсу Ар, максимальне

начення якої: |лр| < (ятах + О/2 - Тому застосування алгоритму є доцільним,

:кщо похибка перетворення синтезованої структури з врахуванням складової \р має однаковий порядок з трансформованою похибкою квантування.

Обидва описаних алгоритми є спеціалізованими - їх застосування на ірактиці пов'язане з накладанням обмежень на характер зміни вхідних величин іеретворювача. Універсальнішим є алгоритм двоканальної обробки РЧІК. Суть лгоритму - розділення РЧІК {Аг.} на дві послідовності протилежних знаків: ЧІ.КЬ з наступною обробкою кожної з них в окремому каналі. При

астосуванні алгоритму не потрібно вводити додаткові обмеження на характер мінних. Проте він має свій недолік - його реалізація вимагає значних апаратних атрат. Із застосуванням алгоритму двоканальної обробки синтезовано схему )ункціонального блоку фазометра. Результати моделювання структури, аведені в третьому розділі роботи, підтверджують її метрологічну доцільність.

З метою розробки універсальних а економічних засобів обробки РЧІК іпропоновано алгоритм паралельної бробки модулів та знаків приростів ЧПС. Суть алгоритму - імпульсне оригування результату перетворення ри зміні вхідними приростами свого іаку. На основі алгоритму розроблено грукгури реверсивних помножувачів, а рис.1 подано одну з них. Схема, що істить лічильник ЛЧ, мультиплексор ІС, комбінаційний суматор СМ, їгістр пам'яті РГ, схему визначення іаку СВЗ, тригер знаку Т та ряд згічних елементів, реалізує ту саму ункцію в тих самих діапазонах вхідних змінних, що і 1ДДА. Як і ЦДА, руктура на рис.1 в режимі Дх. ■уі > о працює у відповідності з алгоритмом:

Дг,+/1(,+,)/^и=(>'гЧ+^)/^ . (8)

; І] - вміст РГ перед і - им кроком інтегрування, = 2”, п - розрядність СМ. хеми ЦДА, завдяки кодуванню доданків в доповнювальному коді з (користанням знакових розрядів, працюють у відповідності з (8) також в жимі Лг, у. <0. Натомість у запропонованій схемі знакові розряди не ікористовуються. Тому в згаданому режимі схема на рис.1 працює у цповідності з алгоритмом (МС в цьому режимі подає на СМ код >•* = 2" -|^,|):

|Ау| »'£п{Лу}

гЕК

ісвзі^г:

ОТв

лч

»>ап{у}

|Ді|

5Іеп(Ді)

Зі.

МС

ж

І Аг І

СМ

ЗШ

РГ

sign{Лz}

Рис. І. Структурна схема реверсивного помножувача

Az. +

Г0>1) _

(2» _

'.АхЛ + Р,

(10

, (9 Л'т

Щоб привести роботу схеми у відповідність до алгоритму (8), запропоновані алгоритм імпульсного коригування вихідного приросту Дг,:

ІАі1, = Аі., при Дг. ■ > О

[Дг'^-ЦЬН)* при Дх(. ■ у1 <0

Завдяки вжитим заходам роботу запропонованої структури приведено відповідність до відомого оптимального алгоритму цифрового інтегрування з методом прямокутників, тому показники точності структури збігаються показниками точності кращих ЦДА. Разом з тим, завдяки меншій розрядност (за рахунок відсутності знакових розрядів), запропонована структура переважаї ЦДА за економічністю та максимальною робочою частотою. На підтвердженій цих висновків подано результати моделювання реверсивного помножувача т; структур ЦДА. Крім того, відсутність знакових розрядів дозволяє бе: додаткових засобів здійснювати нарощення розрядності помножувача.

У третьому розділі синтезовано

структуру реверсивного дільника шляхом охоплення реверсивного помножувача від'ємним зворотним зв'язком. На рис.2 подано саме таку структуру. Схема, окрім реверсивного помножувача, містить універсальну схему віднімання УСВ. Без врахування похибок перетворення для такої структури можна записати:

уАг . N_Ax

N_

М______

sign {Ду}

sign{у}

ЛЧ

СВЗ

Az = Ах - Да; Аа =

Аг = ■

(11) Slg!i,

sign{4x}

ТЁМ-

Зі

signfAa}

CM

да

+>'

Отже, схема на рис.2 реалізує ту саму функцію, що і відома схема число-імпульсного дільника. Причому для реверсивного дільника:

-Nm<y< /V,,; Дх є {-1,0,1} (12)

тоді як для число-імпульсного: о ^У<іїт, Ах є {О,і} (13)

|Ді|

УСВ

|Да|

1Z.

РГ

-|Az|

-sign{4i}

Рис.2. Базова структура реверсивного дільника

Як відомо, на сьогодні не розроблено аналітичної методики аналіз) точності ЧІФП з імпульсними зворотними зв'язками. Тому з метою оціню точності та максимальної робочої частоти запропонованої структури булс проведене її імітаційно-математичне моделювання, яке показало, що в режим >• < 0 різко погіршуються показники точності та зменшується максимальн;

юбоча частота схеми. Крім того, навіть в режимі у > 0 може виникнути [еобхідність дворазового спрацювання помножувача на одному кроці птегрування. Це пояснюється затримкою імпульса зворотного зв'язку та човірністю того, що знаки приростів, які подаються на входи УСВ, будуть ротилежними. З метою уникнення цих недоліків, було розроблено структури еверсивних дільників, подані на рис.З.

Діапазон значень підінтегральної функції вибрано таким, щоб уникнути фекту погіршення показників точності та швидкодії. Застосовано також ідомий алгоритм коригування значення підінтегральної функції (14). Завдяки житам заходам, схеми на ис.З відтворюють (15) в діа-азонах вхідних величин (16):

’'=у-*т (14)

N

х = ^-Ах (15)

У

^<2*я;Д*є{-І,°,[} (16)

За умови реалізації (14) ідома схема число-імпульсно-э дільника також працює у ідповідності з (15), однак при ьому: Дг є {о,і}. Для того, щоб сунути можливість появи на кодах схеми віднімання риростів протилежних знаків, схемі на рис. З а на локаль-ому рівні (в колі зворотного і'язку) застосовано алгоритм воканальної обробки. При ьому кожен з РЧІК {Де.} озділений на послідовності ротилежних знаків. Застосо-шо дві схеми віднімання, зжна з яких обробляє рирости одного знаку. При зслідженні закономірностей надходження приростів в коло зворотного зв'язку ізової структури дільника (рис.2), було виявлено, що на необнулену УСВ не оже надійти імпульс зворотного зв'язку того ж знаку, що і попередній. Ця ;обливість дозволила розробити структуру (рис.36), в якій на кожному кроці тегрування порівнюються знаки приросту змінної інтегрування та імпульса

б)

Рис.З. Модифіковані структури дільників

зворотного зв'язку. Якщо знаки протилежні, імпульс зворотного зв'язку затримується в модифікованій схемі віднімання МСВ до наступного крок) інтегрування. При цьому на поточному кроці МСВ може бути обнуленг черговим імпульсом зворотного зв'язку (який буде мати протилежний знак).

В зв'язку з тим, що в колі зворотного зв'язку (рис.36) застосовано тригер модифіковану схему віднімання, дільник з однією схемою віднімання є меші швидкодіючий, ніж дільник з двома схемами віднімання. Разом з тим моделювання структур показало, що дільник з однією схемою віднімання ма( перевагу за точністю перетворення. На підтвердження цього подано графім абсолютних похибок перетворення (рис.4) обох структур, розраховані за умови що тестова підінтегральна функція має вигляд:

4-(N«,-0*2 4-К-і)

У = -

-• А + 2Ит - 1 , А = £К|

)

Н,.. . де Ь - номер кроку інтегрування, Дх, - приріст змінної інтегрування.

Запропоновані структури (рис.З)

дозволяють досягти кращих показників роботи ЧІФП, ніж це можливо за умови застосування ЦДА або спеціалізованих алгоритмів обробки РЧІК. Зокрема, завдяки застосуванню реверсивних дільників можна реалізувати МСРШ (5) і синтезувати структури однотакт-них функціональних блоків фазометрів середніх значень. Такі структури було розроблено і порівняно з іншими

інтегруючими структурами аналогічного призначення. Порівняння здійснювалось шляхом аналізу результатів імітаційно-математичного моделювання розроблених структур. На першому етапі моделювання визначали такий характер зміни вхідних величин, при якому діапазон значень абсолютної похибки перетворення того чи іншого перетворювача є максимально широким. На другому етапі розраховували похибку перетворення структур, причому

характер зміни вхідних величин визначався

(і7;

200

“І її 300

1.51.00.5 -0.0-0.5-1.0-

0

1

100

200

300

6)

Рис.4. Графіки абсолютних похибок перетворення дільників (п=8)

результатами першого етапу. Аналіз результатів показав, що всі чотири запропоновані структури відповідають критерію метрологічної доцільності. Причому найкращими показниками точності характеризується структура функціонального блоку, розроблена на основі дільника з однією схемою

5Іднімання (рис.36). Крім того, діапазон В похибки перетворення такої :труктури характеризується меншою, ніж в інших, залежністю від вхідних іеличинта початкового значення гО результату перетворення.

На рис. 5а, на фоні графіків максимальної трансформованої похибки кантування, подано графік абсолютної похибки перетворення згаданої ітруктури, а на рис.56 - поверхню £> = /(гО,0) (де 0 - відношення двох вхідних ■еличин), побудовану за результатами першого етапу моделювання. Отримані іезультати дозволяють прогнозувати порівняно невеликі затрати часу на

Рис.5. Результати першого (б) та другого (а) етапів моделювання функціонального блоку п=12) фазометра, побудованого на базі реверсивного дільника з однією схемою віднімання

оделювання багаторозрядних структур такого типу (значення параметрів, від шх залежить діапазон похибки перетворення, можна перебирати з більшим зоком). Незначними будуть також затрати пам'яті у випадку гібридування груктури з пам'яттю (яке здійснюється з метою покращення точності).

В четвертому розділі запропоновано ряд схемних рішень, які дозволяють іачно підвищити максимальну робочу частоту базових вузлів ЧІФП. В основі їх рішень - реалізація порозрядної конвеєрної процедури підсумовування іачень підінтегральної функції та залишку інтегрування. На рис.6 подано ункціональну схему 4-розрядного конвеєрного реверсивного помножувача, що зацює в стаціонарному режимі. На рисунку тригери ТОП - ТЗП, ТОРГ - ТЗРГ і щорозрядні суматори БМО - БМЗ складають схему конвеєрного ігромаджуючого суматора. Регістр зсуву, побудований на тригерах Т02 - Т32, ;ідний тригер Твх2 та група логічних елементів складають схему синхронізації, ультиплексори МХО - МХЗ, регістр зсуву на тригерах ТОЇ - Т31, вхідний игер Твхі та суматор за модулем 2 реалізують алгоритм імпульсного ригування вихідного приросту. На входи суматора подається сталий код = а02° +йг,2і +а222 + а32г. Функція регістрів зсуву - розподіл в часі приростів \ змінної інтегрування. Без врахування похибки перетворення (значення якої жить в межах ±0,5 одиниці молодшого розряду результату перетворення і):

0 1000 2000 3000 4000

а)

б)

Дг^-Дх/Л^ (18

Якщо входи а0-ьа3,о0^а3 схеми на рис.6 з'єднати з виходамі -А3,60-г63 конвеєрного реверсивного лічильника приростів підінтегрально

5'Яп{Лу}

ЬО Пі Ы Ь1 Ь2 Ь2 ЬЗ ЬЗ

Рис.7. Функціональна схема 4-розрядного конвеєрного реверсивного лічильника

функції (рис.7), отримаємо схему конвеєрного реверсивного помножувача, ще працює в динамічному режимі. Конвеєрний помножувач на кожному такт роботи може обробляти відразу п приростів Ах змінної інтегрування (операцік підсумовування керуючого коду А та залишку інтегрування поділено на п тактії (п - розрядність суматора)). Завдяки цьому максимальна робоча частот; ковеєрного помножувача не залежить від розрядності:

л, = !/('•/+з-',) . (19:

де і /, - відповідно час спрацювання тригера і суматора за модулем 2. > випадку реалізації запропонованої схеми конвеєрного реверсивногс помножувача на БМК ХМЗ (КМОН), максимальна робоча частота: Ґга=83 МГц

цо в 3 рази краще за частоту спрацювання помножувача, побудованого на :уматорі з паралельним переносом (п=16). Разом з тим час перетворення гонвеєрних помножувачів є значним. Так, час повнорозрядної обробки Іп ідного приросту змінної інтегрування п- розрядним конвеєрним помножувачем:

*н = п'і1т + 3 ‘

\я особливість може призвести до зниження максимальної робочої частоти ;онвеєрних ЧІФП з імпульсними зворотними зв'язками. З іншого боку похибка іеретворення розімкнених структур може бути великою. В зв'язку з цим апропоновано використовувати як базові вузли схему, подану на рис.6, і озроблену структуру конвеєрного перемножувача двох РЧЕК. Ці структури рацюють без похибки інтегрування. Перша - завдяки сталості керуючого коду. І основу роботи другої структури покладено відомий алгоритм (21), який озволяє відтворити функцію і-х-у без похибки інтегрування:

Аг,- = хґАУі +>'(,-.)) -Ах,. (21)

В п'ятому розділі розглянуто принципи побудови ВІС імпульсного іункціонального процесора (ІФП) - нової елементної бази ЧІФП. В основу озробки покладено нові алгоритми та засоби обробки тернарних дельта-кодів, писані в попередніх розділах дисертації. В процесі розробки процесора було ідоволено наступні основні вимоги до нової елементної бази ЧІФП:

, Наявність оптимального набору базових вузлів в межах кристалу.

В межах кристалу реалізовано один блок універсального реверсивного ільника (з можливістю реалізації принципу змінної розрядності), два блоки ;версивних помножувачів та програмний блок (програмований 16-канальний змутатор каналів проходження даних). .

. Можливість зміни розрядності перетворювача як в межах кристалу, так і шляхом комутування кількох кристалів процесора.

Номінальну розрядність базових вузлів (п=16) в межах кристалу можна іінити програмним шляхом як в бік зменшення, так і в бік збільшення, івдяки реалізації алгоритму імпульсного коригування вихідних приростів ізових вузлів, комутування кількох кристалів з метою нарощення розрядності [ійснюється без додаткових затрат. -

Можливість реалізації конкретного ЧІФП в межах одного кристалу. Можливість перепрограмування структури процесора.

Універсальність структури процесора.

Базові вузли процесора крім основних можуть виконувати також ряд ідаткових функцій. Наприклад, функції лічильників, комбінаційних або громаджуючих суматорів, регістрів пам'яті, схем віднімання імпульсних іслідовностей, формувачів адрес, комутаторів, генераторів імпульсних слідовностей, конвеєрних регістрів, тощо.

6. Програмна доступність основних вузлів процесора.

Передбачено можливість доступу до будь-якого з лічильників та регістрі схеми. При цьому дані передаються по мультиплексованих шинах, через щ

одночасний доступ можливий тільки до одного з вузлів на запис і до другого

на зчитування інформації.

З врахуванням розглянутих вимог було розроблено ВІС ІФП. Процесо; розроблено на основі БМК ХМЗ з об'ємом 10000 вентилів на кристал (12 виводів) за КМОН технологією. Розробка та тестування схеми, підготовка документації на його виготовлення, здійснювалися за допомогою підсистеми САПР ЖАР (Київ).

На рис.8 подано структурну схему ІФП.

Схема містить блоки імпульсних дільника та двох помножувачів (відповідно ІД, ІП1, ІП2), вихідний блок ВБ (до складу якого входять вихідний мультиплексор та блок вихідних підсилювачів), програмний блок ПБ. По шинах 1,3 передаються сигнали переносу основних вузлів.

2,4 - зовнішні, 5 - внутрішня шини даних.

Точність основних функціональних блоків процесора відповідає точності структур, розглянутих в другому та третьому розділах роботи (в основу ІД покладені структуру реверсивного дільника з двома схемами віднімання). Максимальні робоча частота блоків імпульсних помножувачів - 27,5 МГц, блоку імпульсноп дільника - 25 МГц.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ РОБОТИ

1. Досліджено проблеми, пов'язані з необхідністю обробки засобами ЧІФГ реверсивних ЧІК. Проаналізовано можливості застосування для такої обробкі відомих базових вузлів ЧІФП та структур ЦДА.

2. Виявлено такі особливості РЧІК, які дозволяють спростити його обробку Розроблено спеціалізовані алгоритми обробки РЧІК - алгоритм апроксимаці реверсивного коду число-імпульсним і алгоритм прямого застосування число імпульсних базових вузлів ЧІФП для обробки РЧІК. Основна перевага прі застосуванні цих алгоритмів - простота структури перетворювача. Недолік велика залежність точності перетворювача від динаміки РЧІК.

3. Запропоновано алгоритм двоканальної обробки РЧІК, застосування якогс дозволяє досягти кращих показників точності реверсивних ЧІФП. Разом з тил реалізація цього алгоритму вимагає більших апаратних затрат, ніж реалізації спеціалізованих алгоритмів обробки РЧІК.

Рис. 8. Структурна схема ІФП

. Як альтернативу ЦДА, запропоновано структуру реверсивного помножувача, основі роботи якої - розроблений алгоритм імпульсного коригування ихідного приросту при зміні вхідними приростами свого знаку. Реалізація пгоритму дозволяє винести операції над знаками в кола обробки приростів. Це риводить до покращання показників швидкодії, економічності та регулярності груктури (при нарощенні розрядності) реверсивного помножувача порівняно із груктурами ЦДА. З іншого боку, реверсивний помножувач, як і ЦДА, працює у ідповідності з оптимальним алгоритмом цифрового інтегрування за методом рямокутників, що обумовлює ідентичність показників точності цих структур. Іаксимальна робоча частота реверсивного помножувача (п=16), за умови його галізації на БМК ХМЗ (КМОН) - 27,5 МГц.

. Розроблено та досліджено структури реверсивних дільників - нових базових /злів ЧІФП, які на відміну від число-імпульсних дільників допускають :рнарне дельта-кодування вхідних величин. Максимальна робоча частота :версивного дільника (п=16) з двома схемами віднімання - за умови його галізації на БМК ХМЗ (КМОН) - 25 МГц.

Застосування запропонованих алгоритмів обробки РЧІК, окрім вже згаданих ;реваг, дозволяє розширити функціональні можливості ЧІФП. З метою дтвердження цього висновку розроблено і досліджено чотири структури ункціональних блоків фазометрів середніх значень - на основі алгоритму іроксимації РЧПС, на основі алгоритму двоканальної обробки РЧІК та на :нові двох структур реверсивних дільників. Всі чотири структури реалізують пропонований алгоритм підвищеної точності однотактного вимірювання реднього значення зсуву фаз. Те, що похибки перетворення всіх чотирьох /нкціональних блоків мають однаковий порядок з трансформованою іхибкою квантування, підтверджує метрологічну доцільність їх застосування.

За результатами дослідження запропонованих структур функціональних юків фазометрів виявлено, що найточнішою є структура на основі версивного дільника з однією схемою віднімання. Приведена до входу /нкціонального блоку абсолютна похибка перетворення такої структури не лежить від розрядності і лежить в межах ±1,5 одиниці молодшого розряду зультату перетворення. Приведена до входу фазометра абсолютна похибка ретворення згаданої структури (», = 12,=3600 - див. співвідношення

),(4),(5), де N„=2”) лежить в межах: -0,15“ <Д<0,15° і зменшується при ільшенні розрядності структури. Наприклад, зменшується на порядок при ільшенні розрядності основних вузлів до значення п2 = 16 (£, = 36000). Розроблено конвеєрні структури реверсивних число-імпульсних множувачів, застосування яких дозволяє значно підвищити максимальну бочу частоту структур ЧІФП розімкненого типу. Так, максимальна робоча гтота конвеєрного помножувача, за умови його реалізації на БМК ХМЗ

(КМОН), не залежить від розрядності і дорівнює: /„ = 83 МГц.

9. На основі запропонованих алгоритмів та структур, призначених для обробкі

РЧІК, розроблено ВІС імпульсного функціонального процесора.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ

1. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В.М. Перемножувачі число

імпульсних кодів на нагромаджуючих суматорах/Вісник ДУ "Львівські

політехніка" - "Автоматика, вимірювання та керування", N292, 1995,- с.61-65.

2. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В.М. Пристрої для ділення число

імпульсного коду на паралельний код на інтеграторах з паралельній

перенесенням/Вісник ДУ "Львівська політехніка" - "Автоматика, вимірюванні та керування", N305, 1996с.34-39.

3. Горпенюк А.Я., Максимович В.М. Пристрої інтегрування число-імпульсни послідовностей із змінною вагою Імпульсів/Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Автоматика, вимірювання та керування", N305, 1996,- с.39-42.

4. Maksymovych V., Dudykevych V, Gorpeniuk A. New hardware for pulse fluxe.

processing/Proceedmgs of the X Polish national conference "Application o

microprocessors in automatic control and measurements", v.2.- Warsaw, Polana

1996,-p. 150-157.

5. А.Горпенюк. Принципи побудови конвеєрних базових вузлів число-імпульсни вимірювальних перетворювачів/"Контроль і управління в технічних системах (КУТС-97). Книга за матеріалами четвертої міжнародної науково-технічно конференції: м.Вінниця, 21-23 жовтня 1997 року. У 3-х томах. Том2-"Універсум-Вінниця", 1997. -с. 137-140.

6. А.Горпенюк, В.Дудикевич, В.Максимович. Стан і перспективи розвитку число імпульсних вимірювальних перетворювачів/"Контроль і управління в технічки: системах" (КУТС-97). Книга за матеріалами четвертої міжнародної науково технічної конференції: м.Вінниця, 21-23 жовтня 1997року. У 3-х томах. Том2. : "Універсум-Віннищ", 1997.-е.141-147.

7. Andrij Gorpeniuk, Valerij Dudykevych, Volodymyr Maksymovych. Functiona converters on digital integrators with parallel carry base modelling// 1-s International Modelling School.- Krym '96,- Rzeszow, 1996, p.67-69.

8. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В.М. Шляхи побудови швидкодіючш широкодіапазонних пристроїв д,ія фазочастотних вимірюваньП’езі доповідУ/Конференція "Вимірювальна та обчислювальна техніка < технологічних процесах і конверсії виробництва",- Хмельницький, 1995 - с.110.

9. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В М. Моделювання процес) генерування функціональних залежностей в число-імпульсник функціональнії: перетворювачах (11ІФП)/Тези доповіді //6-а Українська конференції> "Моделювання та дослідження стійкості систем", - Київ, 1995,- с.32.

10. Горпенюк А.Я., Максимович В.М. Імпульсний функціональний процесор

принципи побудови та призначення'3-я міжнародна науково-технічна конференція "Контроль і управління в технічних системах"/‘/'Тези доповіді,- ч,2. -Вінниця, 1995,- с. 265-266.

1. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В.М. Перспективні базові вузли число-імпульсних функціональних перетворювачів// Друга Українська конференція з автоматичного керування ("Автоматика-95").- Праці, т.4,-Львів, 1995,-с.96-97.

2. Горпенюк А.Я., Дудикевич В.Б., Максимович В.М. Цифрова обробка сигналів в реальному масштабі часу/УТретя Українська конференція з автоматичного керування ("Автоматика-96").- Праці.- Севастополь: СевГТУ, 1996.

АНОТАЦІЯ

Горпенюк А.Я. Реверсивні число-імпульсні функціональні чретворювачі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за іеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та істем керування,- Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1998.

Дисертацію присвячено розробці алгоритмів функціонування та структур :версивних число-імпульсних функціональних перетворювачів (ЧІФП).

В роботі розроблено ряд алгоритмів обробки тернарних дельта-кодів, ісліджено особливості їх застосування. З використанням одного з них, який редбачає паралельну обробку (на відміну від послідовної в цифрових іференціальних аналізаторах) модулів та знаків вхідних приростів, розроблено руктури базових вузлів реверсивних ЧІФП - реверсивних число-імпульсних імножувачів та дільників, конвеєрних базових вузлів. Застосування цих руктур дозволяє підвищити швидкодію, спростити структурну реалізацію та зширити функціональні можливості реверсивних ЧІФП. На основі пропонованих алгоритмів та структур розроблено ряд реверсивних ЧІФП, дано результати їх дослідження, розроблено також інтегральну схему пульсного функціонального процесора.

Ключові слова: функціональний перетворювач, цифровий

ференціальний аналізатор, тернарний, число-імпульсний, помножувач, іьник.

Горпенюк А.Я. Реверсивные число-штульсные функциональные еобразователи.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по щиалъности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и ;тем управления,- Государственный университет “Львівська політехніка”, вов, 1998.

Диссертация посвящена разработке алгоритмов функционирования и

структур реверсивных число-импульсных функциональных преобразователе (ЧИФП).

В работе разработан ряд алгоритмов обработки тернарных дельта-кодо) исследованы особенности их применения. С использованием одного из ни: который предусматривает паралельную обработку (в отличие с последовательной в цифровых дифференциальных анализаторах) модулей знаков входных приращений, разработаны структуры базовых узло реверсивных ЧИФП - реверсивных число-импульсных умножителей делителей, конвейерных базовых узлов. Применение этих структур позволяе увеличить быстродействие, упростить структурную реализацию и расширит функциональные возможности реверсивных ЧИФП. На основании предложены алгоритмов и структур разработан ряд реверсивных ЧИФП, приведен) результаты их исследования, разработана также интегральная схем импульсного функционального процессора.

Ключевые слова: функциональный преобразователь, цифрово

дифференциальный анализатор, тернарный, число-импульсный, умножител! делитель.

Gorpeniuk A. Reversible pulse-numerical functional converters.-Manuscript

Thesis for a Ph.D. science degree in speciality 05.13.05 - elements and units с computer technique and control systems. - State University “Lvivska Polytechnica’ Lviv, 1998.

The given thesis is dedicated to research of operation algorithms and reversibl pulse-numerical functional converters (PNFCs) structures.

In the given thesis there have been carried out a number of ternary delta-code processing algorithms and explored the peculiarities of their implementation. There ha been carried out the structures of reversible PNFCs basic units - reversible pulse numerical multipliers and dividers, pipeline basic units, using one of the suggeste algorithms, that performs parallel processing (unlike serial processing in digit: differential analyzer) of input increments absolute values and signs. The application с these structures allows to improve speed, simplify structural performance and enlarg fimctional possibilities of reversible PNFCs. On the base of suggested algorithms an structures there has been carried out a number of reversible PNFCs, presented th results of their research, carried out pulse functional converter integrated circuit a well.

Keywords: functional converter, digital differential analyzer, ternary, pulse numerical, multiplier, divider.