Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема селективной обработки сигналов занимает одно из цен-іральньгх мест в теории и практике синтеза разнообразных технических систем:'радиотехнических, управления и регулирования, информацион-но:измерительных комплексах, акустической и гидроакустической аппаратуре, включая приборы для анализа шумов и вибраций, и т.д.
Теоретические основы создания технических объектов, осуществляющих селективную обработку сигналов в аналоговой форме, закладывались в различных областях науки и техники: теории автоматического управления и регулирования (общие принципы и системный подход к структуре), злеісгротехнике (анализ и синтез пассивных злеісгрических цепей), радиотехнике (анализ и синтез электронных цепей). Этим обстоятельством в значительной степени определяется многообразие терминов, применяемых для описания однотипных объектов.
Так, к теории автоматического управления (ТАУ) тяготеет группа терминов, базирующихся на понятии «система» (активная избирательная система, избирательная RC-система и др.). К теории цепей, как одному из разделов электро- и радиотехники, ближе понятие «ARC-цепь», охватывающее активные RC-фильтры и корректоры, RC-генераторы и т.п., а также практически эквивалентный термин «устройство частотной селекции» (УЧС). Четкой границы между этими группами не существует, но первую чаще используют при общем «вход-выходном» подходе к структуре, а вторую - применительно к конкретным схемам
Место рассматриваемых в настоящей работе физических объектов и применяемых для их анализа методов в системе современных научно-технических знаний поясняет схема на рис. 1. Для большей наглядности на схеме двойным контуром выделены те области науки и техники, в которые настоящая работа вносит определенные элементы новизны.
Согласно схеме идеи и представления ТАУ способствовали утверждению системного подхода в теории цепей, что наиболее ярко проявилось в основополагающих работах зарубежных ученых-Г. Бодэ, А. Горо-вица, Л. Заде и Ч. Дезоера, Р. Калмана, а также в отечественных монографиях М.В. Меерова, А.Д. Артыма, М.М. Айзшгова. Это.влияние в той или иной степени ощущается и в других работах зарубежных ученых, закладывавших теоретический фундамент современного анализа и синтеза избирательных систем: Э. Гиллемина, М. Балабаняна, С. Мэзона и Г. Циммермана, Д.Калаханз, Г. Фритче, С. Митры и других.
—/
язык
Тіория
ЦЕПей
МиРАтт ныа -системы
Микро-
ЭЛВКТР0 -HUKA
Частотные, ларактєрио-
тики полюса., н_ули
Лппрок-симлілия
ОЇРАТНАЯ связь,устойЧИ-
BQCTb , ТКПЫ ЗЄНЬЕ6
Рєали-зли,ия
Двтсмлтп-
ЗАЦМЯ _
AhAAOZOBItt
Зискрпно -AHA, ApraaME рллте]
ДИСКРЕТНМЬ сжламы
s I
t < -I
Вычислительная техника
і^глрцєвьіЕ.
генераторы"
Рис. 1 Одновременно в нашей стране утверждение и развитие современной теории цепей шло прежде всего на уровне вузовских научных школ. На^ пример, таких, как сложившаяся в Ленинградской военной академии связи под руководством А.Ф. Белецкого и А.А. Ланнэ школа, для которой всегда бьш характерен пристальный интерес к избирательным системам, или наиболее сильная из московских школ (Г.И. Атабеков, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В, Страхов и др.), выросшая из задач классической электротехники, или киевская школа, возглавляемая В.Д. Сигорским и
5 А.И. Петренко, где изначально основной упор делался на схемы с электронными элементами, и т.д.
На формирование методов анализа и синтеза избирательных систем существенное влияние оказали базирующиеся на теории графов топологические методы, интенсивное развитие которых связано с именами С. Мэзона, С. Сешу и М. Рида, Дж. Абрахамса и Дж. Каверли, В.П. Сигор-ского, Н.Г. Максимовича, В.И. Анисимова, А.Г. Остапенко и др.
Специализированные публикации, посвященные исключительно активным RC-цепям, вплоть до 50-х годов, когда появились транзисторы, оставались единичными. Начало более чем тридцатилетнему информационному взрыву, обусловленному появлением транзисторов и микросхем, положили классические статьи Д. Линвилла, Д. Армстронга и Ф. Реза, Р. Саллена и Ф. Ки. В последующем быстро нараставшем потоке публикаций в зарубежной литературе выделялись монографии и статьи Л. Хыолсмана, В. Кервина, Р. Ныокомба, В. Хейнлейна и В. Холмса, Ф. Аллена, Г. Лэма, Л. Бругона, Г. Мошица, А. Седры, А. Хольта и М. Ли, А. Антонио, М. Чаузи, Д. Сандберга, Р. Беме.
В нашей стране после первой в мире монографии Э.О. Саакова (1954 г.) наиболее интересные работы публиковали руководители и ведущие специалисты научно-инженерных коллективов: Г.Н. Славский, А.Е. Знаменский и И.Н. Теплкж, П.А. Ионкин и В.Г. Миронов, Г.Л. Хазанов, В.В. Масленников, В.И. Капустян, В.П. Стыцько и ряд других. Особенно многообразна в этой области деятельность А.А. Ланнэ, который, будучи автором двух монографий по оптимальному синтезу и главой научной школы цифровой фильтрации, одновременно являлся организатором и полноправным автором временных творческих коллективов, подготовивших 5 книг по теории и практике ARC-цепей.
В 80-е годы поток публикаций по ARC-цепям начал ослабевать, что во многом связано с конкуренцией со стороны цифровых фильтров, в пользу которых произошло перераспределение кадров исследователей. Это обстоятельство, разно как и эйфория, неизбежно возникающая при появлении новых технических средств, по-видимому, послужили одной из причин незавершенности ARC-техники до настоящего времени.
В конечном счете оказалось, что подобно тому, как RC-фильтры существенно сузили область применения фильтров с катушками индуктивности, но не отменили их полностью, так и цифровые фильтры вовсе не исключили потребности в аналоговых хотя и вытеснили их из ряда традиционных областей применения. Более того, развитие цифровой фильтрации выдвинуло новые мощные стимулы для совершенствования определенных классов активных RC-фильтров, осуществляющих аналоговые
по своей физической природе операции- прежде всего, ограничение спектров на входе и выходе устройств цифровой обработки сигналов.
Этот стимул наряду с другими, более общими тенденциями развития современной электроники привели к ситуации, когда соответствие постоянно растущим требованиям к точности нестабильности характеристик стало лишь одним из условий конкурентоспособности аналоговых фильтров. Другое, не менее важное условие - их совместимость с устройствами ЦОС и другими узлами радиоэлектронной аппаратуры по конструктивно-технологическим и эксплуатационным показателям, включающим в себя надежность, габариты, вес, энергопотребление, технологичность и т.п. Удовлетворение обоих условий возможно лишь на пути создания микроэлектронных фильтров, ориентированных на конкретную систему обработки сигналов, благодаря чему появляются возможности глобальной оптимизации ее проектирования. Такой подход предполагает разумное распределение ресурсов между цифровыми и аналоговыми узлами с тем, чтобы обеспечить оптимум для системы в целом по комплексному критерию, включающему технико- экономические и эксплуатационные показатели. Разумеется, эффективность результата будет напрямую зависеть от того, насколько близко к оптимуму синтезированы аналоговые (в данном случае селективные) узлы.
Вместе с тем, если из двух этапов классического синтеза - аппроксимации характеристик и схемотехнической реализации первый гораздо легче поддается формализации и соответственно переводу на язык машинного проектирования, то поиск глобально-оптимальных решений на втором этапе до сих пор вызывает огромные трудности. Их главная причина - отсутствие четких однозначных связей между многочисленными и разнородными группами исходных данных (электрических, конструктивно-технологических, экономических, эксплуатационных).
Другая немаловажная причина затруднений, возникающих на этапе реализации^ связана с тем, что в многочисленных группах исследователей, работавших в условиях информационного взрыва независимо друг от друга, складывались различные подходы, системы обозначений, формы представления результатов и т.п. Как следствие, однотипные структуры описываются множеством внешне непохожих формул, дублирующих друг друга по. существу, тогда как их общие свойства надежно маскируются своеобразием приемов анализа и математического аппарата.
В свете вышесказанного на втором этапе классического синтеза остаются актуальными: поиски общего подхода, единой системы параметров, достоверных оценок предельных реализационных возможностей, методов вероятностного анализа избирательных систем в виде совокуп-
ности обобщенных звеньев второго (и первого) порядка; проблема повышения стабильности характеристик; проблема микроэлектронной реализации прецизионных ARC-цепей, включающая в себя как поиск структур, максимально удовлетворяющих требованиям микроэлектронной технологии, так и авгоматизащію процесса производства микросхем.
В рамках указанного круга актуальных проблем сформирована тематика диссертации, основные результаты которой получены в процессе проведения ряда НИР, выполнявшихся под руководством и при непосредственном участии автора по договорам с научно- исследовательскими организациями и промышленными предприятиями страны. По тематике работы под руководством автора защищено 11 диссертаций.
Цель и задачи работы.
Цель работы состоит в разработке теоретических положений, методов и алгоритмов, схемотехнических решений, которые в совокупности повышают вероятность достижения глобально-оптимальных решений на втором этапе классического синтеза аналоговых избирательных систем, реализуемых на основе микроэлектронных технологий.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
развитие общего подхода, единой системы параметров, методов вероятностного анализа и сравнительной оценки нестабильностей каскадных и некаскадных избирательных систем как структур, сводящихся к совокупности обобщенных звеньев второго (и первого) порядка;
обоснование метода и схемотехнических решений, приводящих к повышению стабильности характеристик избирательных систем;
разработка и анализ новых экономичных звеньев второго порядка, обеспечивающих микроэлектронную реализацию прецизионных ARC-цепей, включая автоматизацию функциональной настройки.
Научная новизна диссертация.
-
Развит единый подход к анализу избирательных систем я-го порядка с произвольным числом усилителей на основе концепции мостовой RC-подсхемы, предложенной и обоснованной в диссертации. Введен ряд новых обобщающих понятий и разработаны унифицированные методики анализа схем с идеальными и реальными усилителями, включая влияние последних на частотный и динамический, диапазоны избирательной системы, а также устойчивость в широкой полосе частот.
-
В рамках метода мостовых RC-подсхем и предыскажений поставлена и решена в аналитической форме задача о смещении корней характеристического полинома и-го порядка за счет ограниченности полосы пропускания любого усилителя ARC-цепи, частотная характери-. етика которого аппроксимирована полиномом произвольного порядка.
3. Разработана методика двуступенчатого вероятностного анализа . нестабильностей каскадных реализаций с последующим распространением на некаскадные структуры на основе концепции связанных полюсов передаточной.функции, обоснованной и развитой автором. Как следствие, введены система вероятностных параметров звеньев, понятие гипотетически наилучшего канонического звена, новые критерии сравнительной оценки стабильности избирательных систем, в том числе - интегральный вероятностный критерий, с помощью которого выполнена оценка теоретического минимума интегральной чувствительности.
4. Разработан и исследован структурно-аналитический способ стаби
лизации характеристик избирательных систем за счет введения парал
лельных компенсирующих каналов, синтезируемых с привлечением
принципа инвариантности и методик теории мостовых RC-подсхем.
5. Предложена классификация микроэлектронных ARC-цепєй по
функциональному признаку (эталон частоты-времени), связанному с
технологическими разновидностями микросхем. Методом мостовых RC-
подсхем выполнен анализ оригинальных звеньев, удовлетворяющих тре
бованиям гибридно-пленочной технологии и автоматизации настройки.
6. Построены математическая и аппаратурная модели АСУТП функ
циональной настройки микрозлектронных ARC-цепей, обоснованы алго
ритмы ее работы, обеспечивающие высокую точность воспроизведения
характеристик и ускорение процесса настройки при минимальном браке.
Практическая значимость работы и ее реализация.
Полученные в диссертации теоретические результаты составляют методическую основу для решения комплекса задач схемотехнического проектирования селективных ARC-цепей главным образом - на микроэлектронной элементной базе. Методики и алгоритмы инженерных расчетов, базирующиеся на результатах диссертации и изложенные в многотиражных справочниках и пособиях, широко использовались в договорных работах, которые завершались изготовлением единичных приборов и устройств либо серийным внедрением.
Реализация результатов диссертации производилась в течение 1967-1996 гг; по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР ТРТУ и соответственно - планам предприятий и организаций системы АН СССР и бывших союзных министерств (Минприбора, МПСС, Минрадиопрома, Минсудпрома и др.), а также в инициативных работах по содружеству.
Всего в рамках 16 хоздоговорных НИР и порядка 20 работ других видов, выполненных с использованием результатов диссертации под руководством и при прямом участии автора, разработано и внедрено около 50 устройств частотной селекции, в том числе: 11 приборов и устройств для
9 научных исследований и контроля технологических процессов (три прибора отмечены медалями ВДНХ); 12 блоков и узлов для серийной аппаратуры; 13 микросборок активных фильтров, изготовленных в виде мелкосерийных или опытных партий. Большинство разработок защищено авторскими свидетельствами и патентами автора.
Все микросборки разработаны и изготовлены как функционально законченные изделия (без внешних навесных элементов) и представляют собой прецизионные гибридно-пленочные ARC-фильтры 4-го и более высоких порядков, прячем большинство из них в свое время не имели аналогов у нас в стране и за рубежом. Благодаря применению оригинальной схемотехники, а также методов и аппаратуры функциональной настройки ряд микросборок имеют уникальные по точности параметры, которые до настоящего времени никем не перекрыты. Например, для партии ФНЧ 9-го порядка с крутизной спада АЧХ 80 дБ/окт. среднеквадратичное отклонение ФЧХ на любой частоте внутри полосы пропускання не превышало 0,7, а у бездрейфовых ФНЧ с частотой среза 15 Гц - менее 0,2 при отклонении от линейности не более 1 и т.п.
Структура н объем работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Она изложена на 312 страницах основного текста. В основігую часть входят также 8 таблиц и 52 рисунка. Список литературы содержит 189 наименований, в том числе 95 работ (индивидуальных и в соавторстве), отражающих материалы диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Концепция мостовой RC-подсхемы, согласно которой, как дока
зано, избирательную систему произвольной сложности можно предста
вить в виде N (по числу усилителей) частных мостовых RC-подсхем с
одинаковыми полиномами числителей их передаточных функций, "фан
томные" нули которых определяют корни характеристического полино
ма системы в целом. Единый подход к описанию свойств звеньев второго
порядка с привлечением ряда новых понятий: разностно-дополняющих
структур, коэффициента повышения шума и др.
Три методики расчета передаточных функций ЧМПС, базирующиеся на матрично-топологичесюгх методах анатиза электронных цепей.
2. ' Решение задачи о смещении корней характеристического поли
нома л-го порядка за счет ограниченности полосы пропускания любого
усилителя избирательной системы, частотная характеристика которого
аппроксимирована полиномом произвольного порядка.
3. Аналитические методики дву ступенчатого анализа неста-
бильностей (элемент-звеио-структура) каскадных структур, базирующие-
ся на введенной системе вероятностных параметров звеньев и направленные на упрощение процесса определения доверительных интервалов в любой точке частотной оси. Как следствие - сравнительная оценка предельных реализационных возможностей, опирающаяся на понятие гипотетически наилучшего канонического звена.
-
Концепция связанных полюсов передаточных функций некаскадных структур, позволяющая проводить анализ нестабильностей тем же простым алгоритмам, что и каскадных, но с заменой единичной диагональной матрицы корневых чувствительностей полной матрицей, элементы которой по разработанной программе рассчитываются на ЭВМ для заданных аппроксимирующей функции и типа структуры.
-
Построение вероятностного интегрального критерия стабильности, имеющего наглядный физический смысл и учитывающего отклонения характеристик избирательной системы в полосе пропускания и за ее пределами, а также применение критерия для сравнительной оценки произвольных структур, построенных на звеньях различных классов и определения теоретического минимума интегральной чувствительности.
-
Принципы реализации избирательных систем с фиксированной настройкой и электронной перестройкой, стабильность которых повышается за счет введения параллельных компенсирующих каналов.
-
Анализ свойств известных и оригинальных звеньев с единых методических позищій теории мостовых RC-подсхем. Принципы и модели реализации звеньев, наиболее полно удовлетворяющих требованиям микроэлектронной технологии и автоматизации настройки.
-
Классификация микроэлектронных ARC-цепей в зависимости от присущего им эталона частоты-времени, достоинство которой - хорошая корреляция этого признака с технологическим типами микросхем.
-
Идея автоматизации функциональной настройки микроэлектронных ARC-цепей, алгоритмическая и аппаратурная модели АСУТП, реализующей эту идею и обеспечивающей высокую точность воспроизведения характеристик при практически полном исключении брака.
Публикации п апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 76 печатных работ, в том числе -самостоятельные главы в двух книгах и раздел в РТМ, изданных в Ленинграде и Москве коллективами авторов, а также 15 авторских свидетельств. Кроме того, ряд теоретических и прикладных результатов включены в отчеты по 3 госбюджетным и 14 хоздоговорным НИР, прошедшим госрегистрацшо, и использованы в учебных пособиях для студентов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: в 11 докладах (из них 4 обзорных) 'на пяти школах-семинарах "Активные из-
бирательные системы" с всесоюзным представительством по линии ЦПНТОРЭС ИМ.-А.С. Попова (Таганрог, 1973, 1975, 1977, 1981, 1986); научно-техническом семинаре по теории цепей под рук. проф. Г. Фритче (Дрезден, 1972); 39-й всесоюзной (с международным участием) научной сессии, посвященной.Дню радио (Москва, 1984); 10-й Московской НТК, посвященной Дню радио (Москва, 1984); двух докладах на республиканском семинаре «Проектирование и расчет избирательных RC-систем» (Киев, 1985); Всесоюзных научно-технических конференциях «Интегральные избирательные устройства» (Москва, 1988, 1989); республиканской конференции "Опыт разработки и внедрения цифровых и аналоговых фильтров и корректоров в системах связи" (Севастополь, 1990); юбилейной НТК ВНИИ "Градиент" (Ростов-на-Дшгу, 1990); в 23 докладах на XIV-XXXVTI научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТРТУ (Таганрог, 1968 - 1991).