Содержание к диссертации
Введение
1. Применение методов и средств функционального преобра зования в универсальных цифровых электроизмерительных приборах и системах 18
1.1. Исследование и разработка обобщенной структурной модели универсальных ЦЭИПС с МСО 19
1.2. Применение перспективной элементной базы при построении ЦЭИПС 28
1.3. Анализ возможностей алгоритмической и структурной унификации методов и средств функционального преобразования с МСО 33
1.4. Расширенная постановка задач, решаемых в работе 38
2. Разработка и исследование высокоэффективных алгорит мов функционального преобразования на основе спосо бов представления действительных чисел 41
2.1. Исследование возможностей отображения значений измеряемых физических величин различными способа ми представления действительных чисел 41
2.1.1. Позиционное представление действительных чисел. 42
2.1.2, Представление действительных чисел цепными дро бями и рядами Кантора, Люрота, Энгеля, Остро градского 43
2.2, Синтез и анализ комбинированных алгоритмов пред ставления действительных чисел применительно к функциональному преобразованию 50
2.2,1. Первый комбинированный алгоритм для представле ния действительных чисел Ку , 50
2..2..2.. Второй комбинированный алгоритм для представления действительных чисел w 54
2..2.3, Первый и второй комбинированные алгоритмы для представления действительных чисел ї/jfx 58
2.2,4« Сравнительный анализ способов представлениядействительных чисел 62
2.3. Анализ помехоустойчивости комбинированных алгоритмов отображения значений преобразуемых физических величин 66
3, Способы и средства аналого-цифрового преобразования физических величин с использованием комбинированных алгоритмов 83
3.1. Способы аналого-цифрового функционального преобразования параметров переменных сигналов 83
3.1.1Аналого-цифровое преобразование мгновенных зна чений напряжения (тока) 83
3,1.2. Аналого-цифровое преобразование частотно-времен ных параметров 88
3.2. Унифицированные аналого-цифровые функциональные преобразователи параметров переменных сигналов 98
3.2.1. Универсальные функциональные преобразователи мгновенных значений напряжения (тока) 98
3.2.2. Универсальные функциональные преобразователи частотно-временных параметров 110
4, Средства обеспечения и реализации универсальных цифровых электроизмерительных приборов и систем 123
4.1. Специализированные функциональные преобразователи . 123
4.2. Унифицированные базисные универсальные функциональные генераторы 132
4.2.1. УФГ с кусочной ступенчатой аппроксимацией 133
4.2.2. УФГ с кусочной линейной аппроксимацией 135
4.2.3. УФГ с кусочной линейно-ступенчатой аппроксимацией , 138
4.3. Унифицированная цифровая электроизмерительная сие-тема с МСО 141
4.4. Унифицированные оптронные универсальные функциональные, преобразователи с многопараметрической коррекцией 150
5. Разработка универсальных цифровых средств измерения 164
5.1. Разработка средств функционального преобразования для серийных универсальных цифровых электроизмери-тельных приборов 164
5.1.1. Аналого-цифровые функциональные преобразователи ИХГЮ. 168
5.1.2. Стробоскопический функциональный преобразователь 185
5.2. Разработка серийной цифровой электроизмерительной . системы 188
5.3. Выводы к главе 5 198
Заключение 199
Список литературы 202
Приложение I
- Применение перспективной элементной базы при построении ЦЭИПС
- Синтез и анализ комбинированных алгоритмов пред ставления действительных чисел применительно к функциональному преобразованию
- Унифицированные аналого-цифровые функциональные преобразователи параметров переменных сигналов
- Унифицированные базисные универсальные функциональные генераторы
Введение к работе
В Постановлении ХХУТ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" одним из основных направлений развития народного хозяйства определено ускорение темпов разработки и производства информационных измерительно-вычислительных комплексов и их составляющих - цифровых измерительных приборов и систем. При этом пред-, полагается создание многофункциональных приборов, устройств и.оборудования, перестраиваемых при изменении производимых ими операций и построенных на основе модульных принципов с использованием унифицированных узлов и агрегатов. Особое внимание уделяется разра-. ботке новых методов и средств измерительного функционального преобразования с широким использованием средств микроэлектроники и оптоэлектроники, что обуславливает изыскание новых и усовершенствование сложившихся научно-технических направлений и подходов во всех взаимосвязанных областях - конструктивно-технологической (элементная база и компоновочные решения), схемотехнической и системотехнической. Актуальным и перспективным направлением развития информационно-измерительной техники является разработка и исследование универсальных цифровых электроизмерительных приборов и систем (ЦЭИПС). Они, в отличие от специализированных, многофункциональны, что обеспечивается не столько количеством входящих в них отдельных измерительных и других преобразователей, сколько параметрической и конструктивной унификацией последних, унификацией методов и средств функционального преобразования и информационной совместимостью устройств обмена информацией между ними, а также с внешними устройствами сбора, передачи, обработки, хранения и представления измерительной информации.
Чтобы конкретизировать постановку задачи, решаемой в работе, необходимо рассмотреть существующие методы организации ЦЭИПС, в частности, входящих в их состав измерительных преобразователей информации. Такое рассмотрение затрудняется большим разнообразием ЦЭИПС, а также отсутствием единого подхода к определению наиболее существенных классификационных признаков. Поскольку выбор направления организации ЦЭИПС во многом зависит от их классификации, остановимся более подробно на последней.
А.И.Мартяшин, Э.К.Шахов и В.М.Шляндин наиболее существенные классификационные признаки определяют видом структурной схемы.преобразователя, которая отображает совокупность приемов использования принципов и средств преобразований (метод преобразования) и дает возможность проведения широких обобщений, не связанных с особенностями конкретного конструктивного исполнения отдельных элементов и узлов преобразователей информации Щ«
Для цифровых электроизмерительных приборов Швецкий Б.И. рекомендует выбирать эти признаки на основе особенностей работы отдельных узлов аналого-цифровых преобразователей, входящих в них, что позволяет охватывать практически все известные типы указанных приборов [z\,
Цапенко М.П. основывает классификацию информационно-измерительных систем на видах входных величин и выходной информации и принципах построения систем [3J. К основным признакам классификации аналого-цифровых систем с обратной связью Муттер В.М. относит также род сравниваемых величин, количество изменяемых координат, способ передачи сигналов или зависимость между входной и выходной величинами \Ч\.
При проведении классификации аналого-цифровых преобразователей Гитис Э.И, и Пискулов Е.А. принимают за основу алгоритм преобразования, определяющий содержание и последовательность операций, выполняемых в процессе преобразования, что также позволяет выявить основные свойства того или иного метода построения соответствующего преобразователя независимо от конкретных особенностей конструк- - 7 -тивного или схемного решений [5,6J.
Существует также несколько иной подход к определению классификационных признаков, использующий обобщенные структурные схемы и учитывающий последовательные формы преобразования информации,-первичное преобразование, вторичное преобразование, коммутация, аналого-цифровое и цифровое преобразование, отображение информации. Такого подхода придерживаются Орнатский П.П., Полищук Е.С., Каверкин И.Я., Цветков Э.И., Раков М.А., Кондалев А,И, и другие [3-I2J. Последний классификационный подход удобен с точки зрения организации универсальных ЦЭИПС, обобщения информационных признаков преобразуемых сигналов, а также последовательности и полноты рассмотрения всего информационного тракта и всего разнообразия существующих в ЦЭИПС методов и средств преобразования и поэтому используется в настоящей работе [IIJ.
Несмотря на различные подходы к организации ЦЭШС и составляющих их измерительных преобразователей информации, многие авторы сходятся в том, что наиболее перспективные и широко применяемые средства этого типа относятся к классу устройств с линейным или нелинейным изменением компенсирующего сигнала (непрерывного либо квантованного по размеру)[і,7], в том числе с интегрирующим преобразованием [7,13,14_|.
Количество устройств рассмотренного класса может быть существенно увеличено за счет использования при построении соответствующих измерительных средств обобщенных структурных принципов организации [її], в том числе принципов многозначной структурной организации (МСО) [_I5-20J, а также теоретико-числовых методов представления действительных чисел (д.ч.) [21-28J и средств оптоэлектрони-ки [2.9-32]. Принципы МСО позволяют сохранять неизменными структуры >сновных узлов приборов и систем при изменении реализуемых алгоритмов посредством перестройки соответствующих им базисных функций, что отвечает современным требованиям унификации и агрегатирования универсальных ЦЭИПС [її]. В свою очередь, методы математического моделирования измерительных процессов, основанные на итерационных способах представления д.ч., позволяют с теоретических позиций подойти к вопросу их унификации и, следовательно, обеспечить многофункциональность ЦЭИПС [28].
В настоящее время признано перспективным решение задач унификации с позиций обобщенного (алгоритмического) описания процессов измерения. В этом направлении известны работы отечественных ученых Карпюка Б.В. L33J, Гитиса Э.И, [э], Кондалева А.И. [34J, Смолова В.Б. [35J, Алиева Т.М. [Зб], а также Рыжевского А.Г., Шлянди-на В,М. |_37J, Кнеллера В.Ю. [38], Стахова А.П. [39J и других. Благодаря развитию алгоритмического аспекта теории измерений, в том числе аналого-цифрового преобразования, стало возможным использование для этих целей достижений прикладной математики и вычислительной техники 1_3б]. Тем не менее, предлагаемое в работе комплексное использование обобщенных структурных принципов организации, МСО и способов представления д.ч., выражающих количественные отношения измеряемых и образцовых величин, позволяет по-новому подойти к разработке универсальных ЦЭИПС [П.27,28].
Метрологические и эксплуатационные характеристики универсальных ЦЭИПС, в основном, определяется качеством реализуемых в них функциональных преобразований, поэтому задача унификации методов и средств функционального преобразования является первостепенной и актуальной. Решение этой задачи неразрывно связано с изысканием новых алгоритмов, которые позволили бы унифицировать измерительные преобразования как можно большего числа физических величин и тем самым обеспечить требуемую многофункциональность. Унификация алгоритмов является одной из сложных задач, ее решение предопределяет эффективность функциональных преобразований, в том числе быстродействие, точность, помехоустойчивость, аппаратурные затраты. Кроме того, алгоритмическая унификация предопределяет струк- турную унификацию соответствующих средств функционального преобразования, что позволяет повысить степень интеграции создаваемых приборов и систем, а также обеспечить требуемую функциональную полноту измерительных преобразований.
Предложенный комплексный подход к решению задач унификации методов и средств функционального преобразования и обеспечения многофункциональности разрабатываемых ЦЭИПС практически не рассматривался в современной отечественной и зарубежной научно-технической литературе.
Заслуживают также внимания вопросы совершенствования ЦЭИПС с помощью оптоэлектронных и электронно-оптических пространственных функциональных преобразователей [40-43J, тем более, что перспек тивный класс гибридных оптоэлектронных устройств с многозначным представлением исследован недостаточно.
В связи с рядом поставленных задач в настоящее время назрела необходимость обобщить достижения в области функционального измерительного преобразования для определения эффективных путей построения новых универсальных ЦЭИПС с использованием принципов МСО, различных методов математического моделирования и средств опто-электроники
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является разработка высокоэффективных унифицированных методов и средств аналого-цифрового функционального преобразования электрических величин и построение с их использованием универсальных цифровых измерительных приборов и систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать пути усовершенствования методов и средств аналого-цифрового функционального преобразования; разработать и исследовать высокоэффективные комбинированные алгоритмы с переменно-значным основанием счисления для представления д.ч., позволяющие унифицировать измерительные преобразования; разработать унифициро- ванные способы и средства аналого-цифрового функционального преобразования и с их применением - универсальные ЦЭИПС.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе показано, что универсальность ЦЭИПС, в основном, определяется функциональной полнотой реализуемых измерительных преобразований и, следовательно, разработкой и унификацией соответствующих методов и средств. Определен и обоснован перечень измеряемых физических величин - это энергетические и частотно-временные параметры переменных электрических сигналов. Проведен сравнительный анализ, а также показана сложность и актуальность унификации существующих методов и средств измерения указанных параметров. Предложено комплексное решение задачи создания высоко-эффективных методов и средств функционального преобразования и их унификации с использованием методов математического моделирования измерительных процессов, основанных на итерационных способах.представления д.ч,, принципов МСО и средств оптоэлектроники. Разработана обобщенная структурная модель универсальных ЦЭИПС, позволяющая оптимально решить поставленные задачи, в том числе исследовать пути осуществления алгоритмической и структурной унификации. При построении модели использованы принципы МСО, способы представления д.ч. и обобщенные информационные признаки физических величин: статический5, динамический/) и пространственный Р. На основе этой модели показано также, что функциональное преобразование целесообразно осуществлять во вторичных измерительных звеньях ЦЭИПС в аналого-цифровой форме с заданием базисных функций реализуемых преобразований, намечен перечень разрабатываемых средств. В результате, сформулирована расширенная постановка задач, решаемых в диссертационной работе.
Во второй главе исследуются и решаются задачи унификации алгоритмов измерительных преобразований посредством использования раз- - II - личных способов представления д.ч.Математически поле д.ч, строится как пополнение поля рациональных чисел, поэтому всякое д.ч. определяется как предел фундаментальной последовательности рациональных чисел, причем разные последовательности могут иметь один и тот же предел. Один и тот же результат измерения также можно получить с помощью различных алгоритмов и реализующих их средств. В общем случае измерение физической величины X трактуется, как получение такой последовательности рациональных чисел, пределом которой является д.ч. fa , отображающее истинное значение этой величины, и которая строится как последовательность частичных сумм некоторого ряда. Поэтому истинное значение измеряемой величины./ равно полной сумме ряда, а точность приближения определяется количеством учтенных членов ряда. Исследуются такие способы представления д.ч.: позиционное (в том числе с иррациональным основанием), цепными дробями, рядами Кантора, Люрота, Энгеля и Остроградского. В результате сравнения вычисленных максимальных абсолютных погрешностей приближения соответствующих бесконечных рядов их конечными отрезками выделены алгоритмы Энгеля и Остроградского, позволяющие за одинаковое число итераций получить наименьшие значения этих погрешностей. На их основе синтезированы и исследованы более эффективные быстродействующие и помехоустойчивые комбинированные алгоритмы представления д.ч. Ух и i/vK с переменнозначным основанием счисления, позволяющие измерять значения взаимообратных физических величин / и У~у)( особенно в случае, когда проще измерять обратную величину.
Основная идея комбинированных алгоритмов заключается в осуществлении такого преобразования - по Энгелю или по Остроградскому, при котором обеспечивается наибольшее быстродействие. Получены выражения для вычисления максимальных и уточненных оценок абсолютных погрешностей приближения бесконечных рядов, построенных по комбинированным алгоритмам, их конечными отрезками. По результа- там физической интерпретации указанных алгоритмов доказана их по мехоустойчивость и быстродействие на качественном и количествен ном уровнях посредством графического представления и моделирова ния на ЭВМ соответственно. Выработаны рекомендации по применению комбинированных алгоритмов для аналого-цифрового преобразования электрических величин.
В третьей главе описаны разработанные на основе комбинированных алгоритмов представления д.ч. ух и //Ух способы и устройства функционального аналого-цифрового преобразования энергетических.и частотно-временных параметров переменных электрических сигналов.
Разработан способ аналого-цифрового преобразования мгновенных значений напряжения (тока) переменных сигналов для определения -... действующих значений и мощности. Разработаны также способы аналого-цифрового преобразования усредненных и мгновенных значений периода, частоты и временного интервала. Показано, что комбиниро-. ванные алгоритмы представления д.ч. обеспечивают унификацию разработанных способов и предопределяют структурную унификацию реализующих их средств. Эти способы обеспечивают помехоустойчивое измерение электрических величин посредством неизменной образцовой величины с разрешающей способностью, которая ограничивается порогом чувствительности сравнивающего устройства.
На основе указанных способов разработаны универсальные функциональные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) энергетических и частотно-временных параметров переменных сигналов. Показано, что разработанными АЦП при измерении мгновенных значений электрических величин достигается за одну (три) итерации разрешающая способность меньше на один (четыре) порядка значения образцовой величины. В разработанных АЦП частотно-временных параметров время преобразования уменьшается почти в три раза по сравнению с временем в аналогичных устройствах, реализующих быстродействующий но-ниусный метод. Многофункциональность и структурная унификация разработанных АЦП достигается применением комбинированных алгоритмов и принципов МСО.
В четвертой главе описываются средства вспомогательного преобразования для расширения функциональных возможностей разработанных универсальных АЦП ЦЭИПС. Приводятся результаты разработки стробоскопического преобразователя для расширения частотного диапазона измерения параметров переменных сигналов. Разработан также помехоустойчивый интегрирующий функциональный преобразователь, предназначенный для линеаризации общей функции преобразования измерителей энергетических параметров по тепловому действию переменного тока. Разработаны универсальные функциональные генераторы (УФГ) базисных функций, соответствующих комбинированным или другим алгоритмам, реализуемым универсальными АЦП. Использование различных-... видов аппроксимации при табличном задании ее узловых точек.позволяет перестраивать УФГ, а также варьировать точностью воспроизведения, быстродействием и аппаратурными затратами и применять их для генерации образцовых сигналов.
На основе обобщенной структурной модели ЦЭИПС с использованием разработанных средств функционального преобразования предложена в общем виде универсальная цифровая электроизмерительная система. Показано, что ее алгоритмическая и структурная унификация предопределяет возможность улучшения метрологических характеристик, в том числе многопараметрической коррекции статических, динамических и дополнительных погрешностей, а также унификацию и однородность схемных решений. Предложены пути усовершенствования ЦЭИПС с помощью средств оптоэлектроники. Разработан в общем виде оптронный АЦП электрических параметров с пространственным промежуточным преобразованием, многопараметрической электронной и оптоэ-лектронной коррекцией погрешностей, обладающий широкими функциональными возможностями.
В пятой главе описываются разработанные средства функциональ- ного преобразования, внедренные в серийное производство. Разработанная структурная схема многофункционального АЦП принята за основу при создании одного из первых отечественных серийных универсальных цифровых приборов Ф4852, позволяющего измерять действующее значение переменного напряжения (тока), активную мощность в цепях однофазного переменного тока, а также напряжение и силу постоянного тока. В этом приборе достигнута унификация на структурном и схемотехническом уровне, а также унификация реализуемых алгоритмов. Разработан макетный образец стробоскопического преобразователя переменных сигналов, близких к синусоидальным, для расширения верхнего предела частотного диапазона Ф4852. .
На основе разработанной структурной схемы универсальной системы создана одна из первых отечественных серийных систем теплового контроля, измерения и регистрации энергетических режимов мощных гидрогенераторов - СТК-400. В системе предусмотрено резервирование и режим диагностики, в результате получены высокие надежностные показатели - вероятность безотказной работы не менее 0,99 за 2000 часов.
В приложениях приведены программа и результаты анализа на ЭВМ разработанного комбинированного алгоритма, а также акты внедрений и основные технические характеристики Ф4852 и СТК-400.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы: решение задач унификации и повышения эффективности методов и средств аналого-цифрового функционального преобразования электрических величин посредством комплексного применения итерационных способов представления д.ч. и принципов МСО; обобщенная структурная модель универсальных ЦЭИЛС с MGO; высокоэффективные помехоустойчивые и быстродействующие комбинированные алгоритмы с переменнозначным основанием счисления для представления д.ч. ух и //vx , позволяющие унифицировать соот- ветствующие преобразования измерительной информации; вычисленные максимальные и уточненные оценки абсолютных погрешностей приближения бесконечных рядов, отображающих комбинированные алгоритмы, их конечными отрезками; анализ помехоустойчивости и быстродействия комбинированных алгоритмов на основе их физической интерпретации и моделирования на ЭВМ; унифицированные способы и средства аналого-цифрового функ-ционального преобразования для определения энергетических и частотно-временных параметров переменных электрических сигналов, обеспечивающие повышенную разрешающую способность, помехоустойчивость и контролируемость процесса измерения; многофункциональные средства аналого-цифрового преобразования и построенные с их использованием универсальные ЦЭШС.
Практическая ценность. Разработанные унифицированные способы и устройства помехоустойчивого аналого-цифрового преобразования мгновенных значений напряжения (тока), а также мгновенных и усредненных значений периода, частоты и временного интервала позволяют достичь за одну итерацию разрешающей способности меньше на один порядок минимального значения образцовой величины, а за три итерации - на четыре порядка, а также обеспечить контроль процесса измерения. Разработанные устройства позволяют также уменьшить время преобразования частотно-временных параметров по сравнению, например, с нониусными преобразователями почти в три раза с улучшением разрешающей способности на порядок. Разработанные унифицированные средства вспомогательного помехоустойчивого функционального преобразования позволяют расширить пределы измеряемых посредством ЦЭИПС электрических сигналов, а также обеспечить задание функций реализуемых ими алгоритмов, т.е. обеспечить их многофункциональность. Реализация аналого-цифровых функциональных преобразователей с использованием комбинированных алгоритмов и принципов
МСО обеспечивает их структурную унификацию, многофункциональность и практически исключает погрешность квантования.
Реализация в промышленности» Результаты диссертационной работы внедрены в серийных изделиях, выпускаемых Львовским ПО "Микроприбор": универсальном цифровом приборе Ф4852, системе теплового контроля, измерения и регистрации СТК-400; разработан макетный образец стробоскопического преобразователя для расширения частотного диапазона измерения Ф4852. Теоретические и практические разработки, основанные на применении комбинированных алгоритмов представления д.ч. и принципов МСО, используются при создании БИС аналого-цифровых процессоров обработки сигналов с повышеиным-быстродействием и точностью в Рижском НИИ микроприборов. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований автора в промышленности составляет более 350 тыс. руб.... .
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Расширенном заседании Национального комитета СССР Международной ассоциации по аналоговым вычислениям (г. Рязань, -1977 г.) ; Всесоюзных симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах: "Внедрение микроэлектроники в приборостроение" (г.Москва, 1973 г.), "Проблемы создания преобразователей формы информации" (г.Киев, 1976 г.), "Применение средств оптоэлектроники в контрольно-измерительных системах" (г.Фергана, 1978 г.), "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей" (г.Пенза, 1976 г. и 1978 г.), "Теоретические и прикладные проблемы вычислительной математики" (г.Дрогобич, 1981 г.) ; Республиканских конференциях и семинарах: "Многозначные элементы и структуры" (г.Львов, 1973-1974 г.), "Структурные методы повышения точности и чувствительности измерительных преобразователей" (г.Киев, 1976 г.), "Вопросы теории и проектирования преобразователей информации" (г.Киев, 1976 г.), "Физические основы построения первичных измерительных преобразователей" (г.Винница,
1977 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 38 публикациях, из которых 18 авторские свидетельства на изобретения.
Работа обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработок, выполненных автором в коллективах от дела "Многозначные элементы и структуры дискретной техники" Физи ко-механического института им.Г.В.Карпенко АН УССР, научно-иссле довательского отдела Специального конструкторского бюро микроэ лектроники в приборостроении (СКБ МП) ПО "Микроприбор", а также в комплексной лаборатории "Многофункциональные микросхемы и много значные структуры информационно-измерительной техники" ФМИ АН ..УССР - СКБ МП межведомственного целевого научно-производственного объединения "Электронпроект". -
Выполненные в диссертационной работе исследования и разработки связаны с научно-исследовательскими работами, проводимыми в ФМИ АН УССР по теме "Разработка высокоэффективных методов, аппаратуры и систем для исследования физических полей применительно к задачам изучения природных ресурсов с использованием многозначных и многоканальных принципов организации информационно-вычислительных систем", имеющей номер государственной регистрации 8I0806I8, а также с работами, проведенными в СКБ МП ПО "Микроприбор" по темам 0470 665850 "Цифровой мультиметр переменного тока типа Ф4852", 0412 201650 "Система теплового контроля, измерения и регистрации на 400 точек типа СТК-400" и работами, проводимыми с Рижским научно-исследовательским институтом микроприборов (РНИИ МП) по договору о социалистическом содружестве "Исследование и разработка эффективных алгоритмов и технических средств обработки сигналов".
Применение перспективной элементной базы при построении ЦЭИПС
Развитие элементной базы, применяемой в вычислительной и информационно-измерительной технике, идет по пути микроминиатюризации, повышения степени интеграции (создание БИС, СБИС, микропроцессоров), что позволяет уменьшить габариты и стоимость, увеличить надежность соответствующих элементов L78-80J. В то же время намечается снижение темпов микроминиатюризации, обусловленное рядом причин, зачастую противоречивых _78j. Так, с повышением степени интеграции увеличивается площадь кристалла, причем число располагающихся на нем элементов растет пропорционально его площади, а число выводов - длине периметра, значение рассеиваемой в кристалле мощности также растет пропорционально его площади и уменьшение этого значения приводит к снижению быстродействия. Кроме того, конструирование большинства БИС, СБИС, микропроцессоров, базирующееся на достижениях двоичной схемотехники, уже не-.. обеспечивает требуемой степени интеграции и функциональной полноты [78J. В силу указанных причин большой интерес у нас в стране и за рубежом, особенно в последние годы, вызывают исследования в области недвоичных позиционных и непозиционных систем счисления СС, соответствующей схемотехники и технологии, в частности МОП, ЭСЛ и И Л. К таким системам относятся: знакоразрядные СС (в последние годы появилось много публикаций, относящихся к знакораз-рядным избыточным системам [81_), Фибоначчиевы СС (существуют работы, где они рассматриваются как обобщения двоичной СС [82-8 ]), СС в остатках [85J и другие.
Не давая подробного анализа приведенных СС, что не входит в задачи данной работы, ограничимся ссылками на соответствующие публикации [її,15-17,«,48,50,51,55-57,86-88] и остановимся на К-значной (многозначной) системе счисления (в частности с переменной значностью (_28J), которая в указанных работах определена как наиболее перспективная. Преимуществом К-значных СС является, в первую очередь, возможность резко увеличить функциональную плотность интегральных схем, а также значительно уменьшить число межсхемных соединений и в результате значительно повысить возможности схемной интеграции соответствующих многозначных элементов (МЗЭ) и универсальных структур, построенных с их применением. Немаловажно отметить, что при создании как МЗЭ, так и структур с их применением, используется один и тот же принцип - принцип базиса и ранее рассмотренные обобщенные информационные признаки StDtP. Это позволяет, наряду с высокой функциональной надежностью, наделить МЗЭ рядом технических преимуществ, характеризующихся [l7J: многофункциональностью, под которой понимается способность к выполнению логических операций, операций запоминания и преобразования сигналов, изменения значности, а также возможность работы элемента вне многозначных структур; универсальностью, определяю--щей возможность применения одних и тех же элементов в аналоговых, аналого-цифровых и цифровых системах; повышенным быстродействием, (для элементов с пространственным промежуточным преобразованием)»
МЗЭ, реализующие принцип базиса, как правило, строятся, на базе взаимообратных преобразований, поэтому в них осуществляются.-информационные преобразования, аналогичные уже описанным (I.I)-(1.3) [16,17,86,87].
В последнее десятилетие были разработаны ФМИ АН УССР и СКБ МП ПО "Микроприбор" серийнопригодные МЗЭ: микромодульные 48MM0I, МД342 типа (/)-5) и 48ММ02, 48ММ03 типа (5 -), а также гибрид-нопленочные - MMOI типа (/)-5) и ММ02, ММОЗ типа (S-) [86,87]. В настоящее время массовый выпуск этих МЗЭ не налажен, поэтому при необходимости их можно построить на основе общедоступных серийных элементов.
Поскольку данная работа и рассматриваемые в ней вопросы относятся к построению средств информационно-измерительной техники, остановимся на структурных схемах тех типов МЗЭ, которые используются при создании ЦЭИПС. Так, универсальный потенциальный МЗЭ с динамическим промежуточным преобразованием содержит два неоднородных преобразователя: S -D и І)-5 [16,86,87] (рис. 1.2).
Преобразователь 5-і) осуществляет преобразование уровня постоянного напряжения в фазу импульсной последовательности и выполняется в виде линейного фазо-импульсного модулятора с развер тывающим базисным напряжением, обозначаемым SD0. Модулятор вырабатывает импульс, параметры которого задаются базисом ), в момент равенства входного сигнала и базисного напряжения 5D0.
Преобразователь D - 5 осуществляет обратное, обычно функциональное, преобразование в соответствии с задаваемым развертывающимбазисным аряжением D5i» Он выполняется в виде динамического запоминающего устройства ДЗУ, способного фиксировать в требуемые моменты времени соответствующие значения базисного напряжения DSf,отношение периода развертки которого к шагу его дискретизации определяет значность МЗЭ. .
Если в универсальном потенциальном МЗЭ базисные напряжения SD0 и D5r принимают вид линейной развертки, то при замкнутой обратной связи элемент работает как запоминающий. Положение равновесия в запоминающем МЗЭ обеспечивается за счет сдвига фаз между базисными напряжениями, т.е. между 5D0 и DSu (рис.1.3) [16,86,87].
Универсальный фазо-импульсный МЗЭ со статическим промежуточным преобразованием содержит те же два неоднородных преобразователя D 5 и 5 - D и отличается от предыдущего порядком их включения (рис.1.4) [16,86-88].
Следует отметить, что реализация МЗЭ с пространственным промежуточным преобразованием в чисто электронном варианте достаточно сложна уже для одномерного функционального преобразования и становится еще более сложной для двухмерного [89_]. Потому в этом случае целесообразно использовать оптоэлектронные и электронно-оптические преобразователи с истинно пространственным признаком Р[31,32,4КМ2,77].
Относительно описанной ранее обобщенной структурной модели ЦЭИПС (рис.1.1) задача исследования и разработки применительно к использованию принципа базиса и многозначной элементной базы заключается в развитии централизованного управления адаптивной перестройкой задаваемых функций преобразования без перестройки
Синтез и анализ комбинированных алгоритмов пред ставления действительных чисел применительно к функциональному преобразованию
Осуществим синтез выделенных выше быстродействующих первых и вторых алгоритмов Энгеля и Остроградского, т.е. выполним синтез и анализ так называемых комбинированных алгоритмов представления д.ч. [26-28]. При этом рассмотрим комбинированные алгоритмы представления д.ч. v и //у, поскольку при измерении значения некоторой величины и зачастую эффективнее измерять значение обратной ей величины X, т.е. // //зс.
Первый и второй комбинированные алгоритмы синтезируем на основе, соответственно, первых и вторых алгоритмов Энгеля й Остроградского, что обусловлено схожестью их организации.
Как уже было сказано, первый комбинированный алгоритм получаем путем синтеза первых алгоритмов Энгеля и Остроградского [ 27, 28J. С целью облегчения синтеза и практической реализации первого комбинированного алгоритма представим физическую интерпретацию исходным алгоритмам.
Допустим, что д.ч, УХ соответствующей размерности отображает истинное значение некоторой измеряемой физической величины X , размер единицы которой обозначим через л0, тогда выражение (2.7) для алгоритмов Энгеля примет вид Yx=(p+4)X0 -X0/d гд,е / /. Обозначив д.ч. XO/O Y через df0t т.е. Хо/?1=4/о № /0 // 7(в общем На основе принятых допущений из неравенства (2.8) QfS-dy fiy для первого алгоритма Энгеля имеем Qj-I Xo/dwили OfA/0"/lfo -Х0 . Зададимся теперь д.ч. Ду , которое удовлетворяет равенству п /l/o 4//=X0 где A//4-fao Продолжая аналогичные преобразования, получим о,2/!ц-/4/гя Х0 (4/2 4/ ) и т.д. Если рассматривать проведенные преобразования с точки зрения измерений, то можно сказать, что размер единицы Х0 укладывается в размере некоторой физической величины X с избытком до получения остатка /(/о Х01 остаток / укладывается с избытком в Х0 До получения остатка н4/1/о и Т»Д» Из выражений для Хо определим /I/O и последовательно получаемые Для алгоритмов Остроградского выражение (2.17) примет по аналогии вид: Yx CXo+dX0t где / У.
Обозначим д.ч. dX0 через /l/01 т.е. /Х0 =// , где Х0 4/о (в общем случае///, l =0,1,2,...). ТогдаНа основе принятых допущений из равенства (2.18) / p d + d для первого алгоритма Остроградского получим /тр 4/о/Хо +dj или Хо=р 4/о+Л/4 $ где д.ч. //у Х0 ч и /// А /о , так как d dP4.Продолжая аналогичные преобразования, будем иметь Х0 р /1н+/1 г Мг 44н) и т.д.
Если рассматривать проведение преобразования с точки зрения измерений, то можно сказать, что размер единицы Х0 укладывается в размере некоторой физической величины У с недостатком до получения остатка /110 Х0 остаток Ді0 укладывается с недостатком в Х0 до получения остатка 4/4г/1/о и т.д. Из выражений для Х0 определим Как было отмечено выше, при использовании первого алгоритма Энгеля размер единицы Х0 укладывается в размере X с избытком, а при использовании первого алгоритма Остроградского - с недостатком. Последующие остатки уоадываются в Х0 также соответственно с избытком или недостатком.
Основная идея первого комбинированного алгоритма заключается в отказе от подобного однообразия и осуществлении на каждом шаге такого преобразования, которое приводит к получению возможно меньшего остатка. При этом остатки могут укладываться в ис избытком и с недостатком. Поясним данную идею на примере.
Пусть целое положительное число С означает, сколько раз размер единицы Х0 может быть уложен в размере некоторой физической величины X с недостатком, т.е. Ам = ){х-СХ0% где Alo - первый остаток, полученный при измерении с недостатком. Тогда целое число (C+i) будет означать, сколько раз Хо уложится в У с избытком, т.е. Аго"(с +1)Х0 }fx , где А о - первый остаток, полученный при измерении с избытком.
В общем виде выражение для Ух для первого комбинированного алгоритма запишется какгде f0e/ при первом алгоритме Остроградского и о-0 ари первом алгоритме Энгеля;// - меньший из двух остатков/4/у и А/о. На ос =/( =1,2,3,...), если соответствующий шаг итерационного-преобразования осуществляется с недостатком (по Остроградскому), и j "0, если шаг делается с избытком (по Энгелю) ; ) 4 Ьг ... Хп целые положительные числа; Ак0 Ак - /1кп - последовательно получаемые остатки.
Из выражений для Х0 (2.31) определим/!Но и последовательнополучаемые остатки Ак ,Акг , ... л-/1Из соотношений (2.30) и (2.32) найдем значение величины/, измеренной по первому комбинированному алгоритму с заданной разрешающей способностью в единицах Хо:у»/ выражение (2.33) обеспечивает наилучшую точность приближения пслагаемыми.
Из выражения (2,33) определим максимальную абсолютную погрешность йкт приближения соответствующего бесконечного ряда его конечным отрезком:
Как уже отмечалось, при комбинированной оценке из двух остатков выбирается меньший; поскольку меньший остаток Ака заведомо меньше половины величины Х0, например, если Лм //2, то Хо-А/0 //2 и наоборот, то каждый последующий остаток меньше предыдущего минимум в 2 раза, т,е.А 2А), Если учесть, чтоЛу 2, тоЛу 2. Кроме этого, из (2.31) Х0= кп./Ап +(-f) пАкп или + (г У Єп], откуда k„-Jx„/x0 //[2An+(- )"e»].
С учетом полученных неравенств выражение для Акт примет видВторой комбинированный алгоритм синтезируем по аналогии с предыдущим на основе вторых алгоритмов Энгеля и Остроградского _27,28J. Преобразования, осуществляемые в данном случае, также имеют целью получение наименьшего остатка.
Во втором, как и в первом, алгоритме Энгеля выражение для д.ч. Ух (2-.24) можно записать в видегде Хо/ =Аго, 0(//, Хо Аго ъ общем случае Агі, L =0,1,2,.,.).
На основе принятых допущений из системы соотношений (2.8), как и в первом алгоритме Энгеля, получим о}Аго-/ / = Х0, где Аго fiu. Из записи следует, что первое выражение для Х0 в обоих алгоритмах Энгеля совпадает, т.е. , = , , А о=Аго Ан=Аг/. Второе выражение для /о получим из системы соотношений (2.8) для второгоалгоритма Энгеля -4- -— + ——, т.е.-і! = - -- УіЛгі /Ігг По аналогии,третье выражение для Хс примет вид Агг-Агз $Ї$ЇХ0 и т.д.Из соотношений (2.35) и (2.36) найдем значение Ук величины X, измеренной по второму алгоритму Энгеля (2.13):
Унифицированные аналого-цифровые функциональные преобразователи параметров переменных сигналов
Рассмотрим структурные схемы УФП, СФП с МСО и промежуточным динамическим преобразованием, характеризуемым информационным признаком/), в основу построения которых положены разработанные алгоритмы, описанные ранее, а также исследуем возможности структурной унификации указанных схем.
Основываясь на разработанном и описанном выше способе аналого-цифрового преобразования мгновенных значений напряжения пере-т менных сигналов, рассмотрим аналого-цифровой УФЛ с МСО, реализующий указанный способ [28,100,123].
Для реализации выберем второй из рассмотренных случаев Ш( і) з )» поскольку он отличается единообразием итерационных преобразований (выражения (3.4) и (3,5) аналогичны), а для соотг-ношений l/fi/J Мэ предусмотрим масштабирование входного сигнала.
На рис.3.7 приведен вариант разработанной структурной схемы УП с время-импульсным развертывающим преобразованием (ВИРП), построенной с использованием принципов МСО _І23І# На рис.3.8 представлены временные диаграммы реализуемых УФП преобразований.
Прежде, чем рассматривать работу УП (рис.3,7), остановимся на входящих в него базисных генераторах, аналогичных изображенным на рис.1.1: тактовом генераторе ТГ, генераторе развертывающегося линейного сигнала РЛГ, генераторе развертывающегося линейного масштабирующего сигнала МРЛГ, генераторе функционально развертывающегося сигнала РФГ. Развертывающиеся базисные сигналы с выходов МРЛГ, РЛГ, РІГ обозначим в соответствии с рис.1.2, рис.1,3 и рис.1.4 векторами 5І , 5Д,, 2)5у, Эти сигналы являются функциями
Структурная схема УФП мгновенных значений напряжениявременного аргумента с периодом Тк, синхронизируемые импульсной последовательностью с выхода ТГ, параметры которой определяются базисом D. Максимальное значение выходной величины РЛГ равно значению образцовой величины Цэ и выражается зависимостью Тк=кьиэ, где Kj - коэффициент преобразования. Максимальное значение выходной величины МРЛГ равно Ит э и выражается зависимостью / агде_//- масштабный коэффициент. Развертывающая базисная величина DSt с выхода РФГ при реализации первого комбинированного алгоритма может быть записана в соответствии с 4-І где у) =0,1,2,...,t - текущее время при условии, что ЦJ; =1/( -) 1/$. Опишем работу УФП (рис.3.7) в два этапа на примере преобразования мгновенного значения напряжения некоторого электрического сигнала U(t) (рис.3.8).
Во время первого этапа по команде "Пуск" (Вх.2) мгновенное значение напряжения U(il) или U(tj) сигнала U(t) с Вх.З УФП подается на вход компаратора К, где сравнивается с l/э, т.е. предварительно определяется их соотношение, например, U(tj) //д (сигнал на выходе I) или U(ti) - Щ (сигнал на выходе 2). На основании полученного сигнала блоком управления БУ (схема ИЛИ) вырабатывается команда выборки на динамическое запоминающее устройство ДЗУт, которое обеспечивает хранение информации на время не больше Тк (рис.3.8), необходимое для ее запоминания в универсальном запоминающем многозначном элементе УЗМЗЭ. В результате, в УЗМЗЭ (рис,1.3) запоминается соответствующее мгновенное значение напряжения (рис.3.7, рис.3.8). Команды "Пуск" и "выборка" вырабатыва ются практически одинаково. Процесс запоминания осуществляется вследующем порядке. Блок управления БУ при L/(tj) U9 вырабатывает сигнал на выходе 3 (триггер Tj), при U(ti) l/3 - на выходе 4 (Tj). Сигнал с выхода триггера Tj управляет двухполярным аналоговым ключом ДА.К, который коммутирует базисное напряжение соответствен но с МРЛГ или с РЛГ на вход УЗМЗЭ (S -D) (рис.3.7 и рис.3.8). Напряжение C/(tj) или U(ti) с выхода ДЗУ в момент его равенства (компенсации) значению соответственно Ъдм- или $Do- преобразуется в неоднородном преобразователе (S -2 ) УЗМЗЭ в дискретный сигнал с соответствующей фазой (фазо-импульсный код) D,(D2) , определяе мый базисом D с ТГ. Сигнал с фазой /() в соответствующий мо-г мент времени по цепи обратной связи осуществляет в преобразовате ле (J)-S) УЗМЗЭ выборку из базисного напряжения DSy 5)уров ня сигнала, равного по значению Базисное напряжение аналогично поэтому оно не изображено на рис.3.7 и рис.3.8, Отличие заключается лишь в том, что одно из напряжений сдвинуто относительно другого по фазе, что обеспечивает положение равновесия в УЗМЗЭ. Описанный процесс не изображен на рис.3.8 для упрощения начертания. Точность запоминания значения U(t/) или lf(ti) определяется числом состояний (значностыо)-# УЗМЗЭ, которое определяется как отношение частот с ТГ, МРЛГ и РЛГ, соответственно , ,,, т.е. Для упрощения рассматриваемых на структурном уровне преобразований примем, что истинное значение U(tj) vim if fa) и запомненное в УЗМЗЭ равны, т.е. где К$, KS - коэффициенты преобразования неоднородных преобразователей, соответственно (5-Z)) и (D-S), входящих в УЗМЗЭ, причем /(2)-///. Дискретный сигнал с фазой Д(2У с выхода УЗМЗЭ (5-і)) посту пает на триггер Т2 БУ, который разрешает его прохождение через схему совпадения И0 на вход неоднородного преобразователя (2)-5) универсального потенциального многозначного элемента УПМЗЭ (рис.1.2). Кроме этого, D/(D2) С выхода И0 через схему совпадения Mj сбрасывает Т2 БУ в исходное состояние. Выражение для 1),,2 г записывается в следующем виде Для простоты графического построения fy и . на рис.3.8 изображены одинаковыми.
Последующие действия осуществляются в УП аналогично для обоих случаев. Дискретный сигнал с фазой D (D2) преобразуется в. -УПМЗЭ (Z -S) в соответствующий уровень напряжения Мк0 (3.4),, задаваемый развертывающим базисным, напряжением D$j с Ш1 (рис.3.8), причем величина этого уровня соответствует первому меньшему остатку, который получился бы при укладывании измеряемого напряжения l/(t{) в образцовое 1/э с избытком или недостатком. Другими словами функция / (3.22), реализуемая базисным напряжением DSr, обеспечивает итерационное преобразование по первому комбинированному алгоритму
Одновременно с развертывающим напряжением РГ вырабатывает также временные интервалы, соответствующие значениям аргумента при оценке с избытком (по алгоритму Энгеля) или недостатком (по алгоритму Остроградского) (на рис.3.8 интервалы, соответственно, (\j и ( (р=1,2,3,...) ), которые подаются на входы схем совпадения И, ..., И (интервалы 2/, ...,#/;) и и, ..., И (интервалы J , ..., ). На другие входы указанных схем совпадения пода
Унифицированные базисные универсальные функциональные генераторы
На рис.4.5 приведен вариант структурной схемы разработанного УФГ с ВИРП и МСО [139]. Работу УФГ опишем на примере аппроксимации некоторой произвольной функции Fix) с помощью ступенчатой функции F (X).
Предварительно по сигналу "запись" (рис.4.5) значения J0,...,j?n функции г= F(x) И соответствующие значения аргумента Хо,...,Х„+, в выбранных точках аппроксимации записываются в виде напряжений в блоки памяти БГ и БЛ-j-, причем значение Хп и Хп+ соответствует ... Zn, что необходимо для задания конца временного интервала аппроксимации tn Блоки памяти БП и БГ (рис.4.5) по назначению и .построению аналогичны блокам памяти БПт й БП (рис.4.3). Значения аргументов с выходов БПт поступают в виде фазо-импульсных сигналов на соответствующие входы блока выделения временных интервалов БВИ, который формирует на первом своем выходе временной интервал длительностью, пропорциональной первому интервалу аппроксимацииtot на втором - второму t4 и т.д. до tn , в общем случае - t[ =Частота "П выбрана равной частоте РЛГ-j-, поэтому минимальному значению timin соответствует один такт (период) PJHj, т.е. imin /. В общем случае частоты генераторов ТГ, ТГ, РЛГj, РЛГ2 соотносятся KwfTc/fpjr frrJfpAry
Во время преобразования входного сигнала некоторое значение XJ(SJ ) его информативного параметра подается на вход УФГ, где в УПМЗЭ (5 -D) преобразуется в дискретный сигнал с соответствующей фазой X/ (Dj) . Полученный дискретный сигнал поступает на первые входы матрицы совпадений МС, на вторые входы которой поступают сигналы с фазами D0, ..., Dn, соответствующие значениям о$ t nt а на третьи - временные интервалы t0 , ...ttn, соответствующие значениям Х0, ,..%Хп+1» В результате совпадения упомянутых трех сигналов в одном из элементов МС происходит выборка того значения 2/(0/) » которое соответствует преобразуемому аргументу Х/(Р/) . В УПМЗЭ (i)-S) сигнал с фазой /(&/) преобразуется в определенный уровень напряжения /($/) , связанный с X/(S/) функциональной зависимостью =F (X) И отличающейся от j?= F(xj на значение не более погрешности аппроксимации,
УФГ, представленный на рис.4.5, при относительной простоте, реализации обладает низким быстродействием, что обусловлено необхо-. димостью задания определенного соотношения частот генераторов ТГр nV), РЛГу, PJITg при заданной точности аппроксимации. Поэтому далее рассматриваются УФГ, позволяющие повысить быстродействие при улучшенной точности.
Примером другого УФГ с табличным заданием точек аппроксимации с кусочной линейной аппроксимацией может служить разработанный УФГ, структурная схема которого приведена на рис.4.б [і40]. В эту схему дополнительно введен блок памяти БПо, предназначенный для хранения значений величин, задающих наклоны аппроксимирующих отрезков.
По сигналу "запись" (рис.Ч.6) значения , ...%zn функции Z=F(X) И соответствующие значения аргумента Х0, " »Хп в выбранных точках аппроксимации, а также значения величин Н0, .»,Нп-, , задающие наклоны линейных аппроксимирующих отрезков, записываются в виде напряжений в блоки памяти ЪИ , БПт и БПо соответственно. Значения аргументов с выходов БП-j- поступают в виде фазо-импульсных сигналов на соответствующие входы триггеров Т, которые управляют запуском генераторов пилообразного напряжения ГПН и коммутацией ключей К аналогового коммутатора АК. Значения i (S/) функции Z=F(X)vi значения величин И/(5/) поступают в виде уровней напря жений с выходов БП и БП соответственно на входы ГЛН и диоды, причем напряжения ($j) определяют уровни, с которых начинаются развертки пилообразных напряжений с выходов соответствующих ГПН, а напряжения ///($/) - их наклоны. Диоды ограничивают пилообразное напряжение с выходов соответствующих дифференциальных усилителей-ограничителей ДУО, Осуществляется это следующим образом. Если потенциал катода диода выше уровня напряжения, с которого начинается развертка пилообразного напряжения с выхода соответствующего ГПН, то на выходе ДУО напряжение нарастает до напряжения, приложенного к катоду диода (аппроксимация положительного наклона. кривой jf FCX)), если же потенциал катода диода ниже начального . уровня развертки пилообразного напряжения, то напряжение с выхода ДУО падает (аппроксимация отрицательного наклона кривой z=F(x)). Напряжения с выходов ДУО коммутируются ключами АК на вход УЛМЗЭ (D s). Во время работы УФГ (рис.4.б) значение X/(S/) , подаваемое на его вход, преобразуется преобразователем (5 -/ ) в сигнал с фазой , который поступает на преобразователь (Z)-s) того же УПМЗЭ. Последующие преобразования осуществляются аналогично описанным в УФГ по рис.4.5.
Как следует из рис.4.5 и рис.4.б, структуры рассматриваемых УФГ отличаются, в основном, наличием ДУО и третьего блока памяти, позволяющему при одинаковом числе точек аппроксимации уменьшить погрешность преобразования, а также количеством генераторов. Параметры генераторов, входящих в УФГ (рис.4.б), позволяют повысить его быстродействие по сравнению с УФГ по рис.4.5 во столько раз, во сколько частота PJITj больше частоты РЛГ при условии, что частота РЛГ (рис.4.5) и РЛГ (рис.4.б) равны. Следует также отметить, что с помощью рассмотренного УФГ проще задавать базисные функции типа (3.22) практически без искажения их конфигурации.Ниже рассматривается вариант УФГ, по аппаратурным затратам приближающийся к УФГ по рис.4,5, а по точности аппроксимации - к УФГ по рис,4.6,
