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系數乘法器及其在航空火力控制系統中的應用

2009-02-17
作者:馬登武 吳國良

  摘 要: 詳細討論了系數乘法器的原理和功能,介紹了它在航空火力控制系統中的應用,給出了符號發生器電路的原理框圖。
  關鍵詞: 系數乘法器 符號發生器 航空火力控制系統


  航空火力控制系統是指攻擊機利用本機所攜帶的武器對敵方各種目標進行搜索、跟蹤、瞄準和實施攻擊的機載設備的總和。在這個系統中,符號發生器是關鍵部件之一,其功能是在處理機的輸出指令控制下接收所畫符號的參數及命令,產生以筆劃法書寫符號所需的x、y兩個方向的模擬偏轉電壓,送到偏轉電路,控制CRT屏幕上電子束的運動,實現畫符號;同時產生一個輝亮信號去控制CRT柵極電壓,確定所畫符號的亮暗度。顯示器顯示的是一些數字、字母、圓及其它可變的圖形。由于任何復雜的圖形都可以被分解成直線和曲線兩部分,因此,如何產生各種長短不同的直線段(矢量)是關鍵問題。
  矢量的產生有數字式和模擬式兩種。當管頭偏轉電路采用步進電流源形式時,電子束在顯示屏上形成的光點是一個跳步運動,而非連續運動。在這種情況下,矢量產生器通常用系數乘法器或累加器來構成。由于在性能指標相同的情況下,用系數乘法器產生矢量比用累加器產生矢量簡便、節省并且可靠性高,所以在航空火力控制系統中得到了廣泛應用。
1 系數乘法器的原理和功能
  系數乘法器由二進制速率鎖存器、符合門電路和二進制計數器組成,如圖1所示。圖中fi是輸入脈沖(時鐘), fo為輸出脈沖序列。


  為方便起見,現以4位減法計數器為例分析討論二進制系數乘法器的工作原理。
  圖2(a)示出了4位減法計數器在一個計數循環中所產生的各位狀態波形圖。圖中,A、B、C、D分別為計數器的第一、二、三、四位狀態波形,由此可以得出A、B、C及D四個脈沖序列的脈沖波形圖,如圖2(b)所示。這4個脈沖序列的脈沖寬度均為時鐘脈沖的一個周期。


  若時鐘頻率為fi,得A、B、C及D這4個脈沖的頻率分別為fi/2、 fi/4、 fi/8、 fi/16。在計數器的一個計數循環中,輸入16個時鐘脈沖,A、B、C及D四個脈沖序列分別產生8、4、2、1個脈沖,可見它們分別和一個二進制數轉成十進制數時各位所對應的權相等。
  這4個序列的脈沖在任何時間都不互相重合,因此,可以利用“或”運算將兩個甚至更多個脈沖序列合并在一起,得到一個合成的輸出脈沖序列。在計數器的一個計數循環中,輸出脈沖序列中的脈沖個數等于每個參加“或”運算脈沖序列的脈沖個數的簡單代數和。至于哪些脈沖序列參加“或”運算,由速率鎖存器中的二進制數S來控制。于是得到公式(1):
  
  (1)式中的S4、S3、S2、S1分別表示二進制數S的各位代碼(0或1)。在由二進制轉換為十進制時,S4、S3、S2、S1所對應的權分別為8、4、2、1。這一例子證實了輸出fo受二進制數S的控制。圖1中的速率鎖存器通常用來存放二進制數,符合門電路用來保證輸出fo的邏輯關系。A、B、C及D這4個脈沖的頻率分別為fi/2、fi/4、fi/8、fi/16,將它們代入(1)式并整理得:
  
  (2)式中S=S4·2-1+S3·2-2+S2·2-3+S1·2-4,這是將S作為小數看待,若將S視為整數,則:
  
  (3)式等號右邊的分母24的指數4表示系數乘法器的位數。上述所討論的系數乘法器的計數器為四位,所以是24。如果計數器的位數為N位,則(3)式中等號右邊分母的指數應為N,由此得任何位數的fo表達式為:
  
  可見,系數乘法器的輸出fo與輸入fi和二進制數的乘積成正比,“系數乘法器″就是由此而得名。如果在N位計數器的一個計數循環中,輸入的脈沖的個數為2N,則輸出脈沖的個數為fo=S。這就證明了在計數器的一個計數循環中,輸出脈沖的個數等于將S視為整數時的二進制代碼。并且,輸出函數為輸入變量的“與或”關系。只要把此式進行適當的“布爾”化簡變形,便可得到不同形式的邏輯關系式,從而設計出不同形式的符合門電路。
  常用的六位系數乘法器SN5497芯片的狀態和真值表如表1所示。


2 系數乘法器產生矢量
  系數乘法器構成的矢量產生器的框圖如圖3所示。


  Δx和Δy是矢量在直角坐標系中的x、y軸上的投影,兩個二進制速率乘法器(x和y方向各一個)分別將Δx、Δy變成相應的脈沖序列fx、fy,并將它們加到可逆的偏轉計數器上,根據Δx、Δy的符號SΔx、SΔy和脈沖序列fx、fy,在兩個可逆計數器輸出端形成相應變化的二進制代碼,它們經D/A轉換器變成大小與Δx、Δy成比例、而極性又與它們的符號一致的階梯電壓Ux、Uy,控制CRT中電子束的偏轉。
3 系數乘法器構成的符號發生器結構框圖
  利用系數乘法器設計的某型航空火力控制系統的符號發生器電路如圖4所示。


  按照SN5497的電路原理,每畫一筆矢量,不管其數值多大,都要輸入64個脈沖,這對于短矢量來說,必然要花去無謂的時間。所以利用長度和矢量控制器(見圖4),根據Δx和Δy的數值大小,控制Δx和Δy的雙四選一數據選擇器選定相應的狀態,實現硬件移位。即根據Δx和Δy中較大的數據,把矢量數據左移N位(0≤N≤3),當輸入脈沖僅為時,可以達到與輸入64個脈沖同樣的效果。假定|Δx|=|Δy|=7,則產生矢量的時序如圖5所示。


  SN5497相應的民用品為74LS5497,用途也很廣泛。采用硬件移位或線長計數器電路進行線長檢測,從而控制計數脈沖的個數,提高畫矢量的速度,是系數乘法器重要的應用技巧。
參考文獻
1 范天慈.平視顯示器原理.空軍工程學院,1989
2 宋春榮.通用集成電路速查手冊.山東科學技術出版社,1995

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