Введение к работе
Актуальность работы. Формирователи (генераторы) функционального импульсного напряжения (ГФІЇН) образует отдельный и весьма представительный класс радиотехнических устройств. Они отличаются' от формирователей прямоугольных импульсов тем, что реализует зз-даніше функциональные зависимости напряженій (тока) от времени, как правило, на участках переднего или заднего фронтов. При этом плоская часть традтгаонного импульса мояет отсутствовать. В обшем случае выходной импульс ГФИН представляется п -участками с заданными на них функпионзлышмя зависимостями.
Наряду с широким использованием в радиотехнике импульсов о линейными функциями (линейно изменявшееся или пилообразное напряжение - ЛИН, ПН) в последнее время в модуляторах и программаторах, в информационно-измерительной технике, в рздиоэвтоматике и других смежных областях находят применение импульсы с нелинейными зависимостями напряжения во времени на различных участках импульса (квадратичной, кубичной, логарифмической, обратное и др.).
В настоянеє время формирователи функционального импульсного напряжения (ФИН) образуют в итоге представительный класс линейных устройств (идущие, заторможенные и автогенераторы). Они в целом плохо поддаются комплексной микроминиатюризации, по крайней мера в однокристальном (монолитном) исполнении. Объясняется ото довольно значительным разнообразием предъявляемых к ним функциональных и технических требований. Пооледние по мере развития радиотехники постоянно усложняются и расширяются в связи с новыми об- чтями применения функционального импульсного напряжеігая и его формаро-вате. ''.. На сегодняшний день формирователи ФИН прочно з. лпи место в телевидении, осциллоскопии, радиолокации и радионавигации, в ппфотно-импульоном и других линейных преобразованиях сигналов, в устройствах программного управления физическими, химическими и прочими процессами, в измерительной технике, в хронирусстих устройствах и т.д. В указанных применениях требуются самые рззпячішв по амплитуде и длительности шпульси (от милливольт до киловольт, от микросекунд до сотен тысяч секунд).
Параметри форлироватеяей ФИН, как правило, являются определявшими точность, стабильность, быстродействие и ряд других важных качественных, в тон числе и конструктивных характеристик радиотехнических устройств и систем, которые строятся но их основа.
ГяавноЧ особенностью схемотехническое реализации генераторов ФИН является совместное использование хронирующих (интегрирующих) цепей (RC і RL -лепи, кварпеше и другие резонаторы), качественных огабияизаторов тока (напряжения) или счетчиков о пифроанаяого-выми преобразователями, пороговых и других вспомогательных элементов (ключи, операционные усилители, запоминающие устройства, мультиплексоры, шифраторы, дешифраторы и т.д.).
Анализ развития электронной техники, радиоэлектроники, автоматики, вычислительное и информационно-измерительной техники за последние десятилетия показывает, что пронесе поиска оптимального репения проблей исследования, разработки и проектирования ГФИН оказывается практически неисчерпаемым, поскольку, о одноЧ стороны, с развитием технологи? продолжает самостоятельно развиваться и совершенствоваться схемотехника ГФИН, с другое стороны, расширяется требуемые функциональные свойства, возрастают требования к электрическим и метрологическим параметрам ГФИН. Поэтому разработка общих вопросов и специальных процедур проектирования ГФИН о учетом усто^чивоЧ динамики ВТП стоит в ряду актуальных на данном этапе развития науки и техники.
В диалектической единстве с формированием ФИН находятся процессы преобразования ФИН, направленные на техническую реализацию линейных функциональных преобразовзниі аналоговых сигналов в дискретные (импульсные, цифровые, кодотгаульсные и прочие сигналы). Актуальность исследования и разработки способов и схем функционального преобразования ФИН (Ш ОЙН) определяется тем, что оно составляет основу ваяне^пего направления и в радиоизмерительної технике, .связанного с первичное обработкой измepяeмo информации. На основе ФШ линейно изменяющейся формы создастся еналого-ЕИфровые преобразователи, входящие, как правило, в соотав устройств сопряжения с ЭК.!, широтно-импульсные преобразователи различных типов для ШИГ.І, <Ш, ВШ-систем и т.д.
Необходимость повышения точности радиоизмеритольных систем требует исследования и разработки функциональных аналого-цифровых преобразователей (ФАШ), включающих в пропесо собственно преобразования аналогових сигналов в дискретную форму реализацию определенных математических функции (дифференцирование, интегрирование, алгебраические операции). Одним из примеров конкретной реализации функционального преобразования ФИН яваяетоя измерение нелинейности ПН с цепью исследования или техничеокоЧ отбраковки готовых
формирователей ПН (генераторов разверток, заданиях ГШШ и др.). В состав математических операций измерения нел;гае-1ности ПН входят: дифференцирование, вычитание, определение экстремумов, деление и собственно преобразование анапог-аифра.
Анализ проблем современного состояния исследований и разработок формирователей и генераторов 5ИН показывает, что они характеризуются рядом трудноразрешимых противоречив. Как правило, улучшение одних параметров приводит в рамках выбранного способа построения формирователе'! к ухудшению других. Так, аналоговые способы построения формирователей ЛИН, пспояьзусшие заряд-разряд кон-денсаторз, позволяет повыиать точность (непрерывность), линейность, снижать потребление энергии, повышать надежность и рентабельность, но при этом соответственно ухудшается временные характеристики (отношение длительностей прямого л обратного ходов ПН, ужесточается ограничение на максимальну? длительность прямого хода ПН), снижается стабильность, усложняется схемотехническое решение при необходимости использования пифрового управления основными параметрами и т.п. С другой стороны, в пифроаналоговах способах построения ФЛЙН о повышением точности временные характеристики ухудшается в обратном направлении - ужесточается ограниченно на шниг.га льнув длительность; кроме того возрастает потребляемая мои-ность; появляется необходимость филътрэпии выбросов на фронтах ступенчато'! аппроксимации; при значительном увеличении длительности прямого хода ПН падает точность за счет возрастания неравномерности (дискретности) при ограниченної разрядности ПАП и т.п. В несомненном противоречии всегда находятся решение задачи раепп-рения функциональных возможностей о решением задачи снижения сложности схем ІФИН, а значит их стоимости; решение задача повышения надежности или помехоустойчивости - с решением задачи снизения іатрзт на конструирование, снижения обшеЧ стоимости устройства і т.д. Обший подход к разрешение указанных противоречил отсутствует, по, конечно, необходим хотя бы в концептуальном виде.
Опыт показывает, что разрешение подобных противоречив в рам-tax выбранного способа построения, как правило, приводят либо к сеобходимостн перехода на новуя элементную базу, отличасшучея 'лучшоюшмн качественными характеристикам (если таковая появляйся по мере развития технологии), либо к необходимости иодерни-апип способа, либо к обоснованному выходу из рамок первокачзль-ого выбранного способа и переходу к другому. Здесь se возможно
и рождение нового способа, что в настоящее время происходит довольно редко. Чаше разрешение того ига иного противоречия происходит путей модернизации способа, выбранного ранее в качестве базового, т.е. путем эвристического оинтеза новой схемной реализации, расширяющей возможности опоооба построения ГФИН или ФАШ путем вскрытия внутренних резервов. Наиболее важные (о научной точки зрения) проблемы моделирования и внапиза схем ГФИН можно отнести как к общим, так и к частини, специфичным. Обшив проблема основаны на противоречии, связанном с вадачей повышения точности моделей ГФИН, что приводит к их усложнения с одной сторона, в задачей повышения 8$фективвости реализации моделей о другой (что требует упрощения исходных моделей). Специфичные проблемы моделирования ГФИН возникает, во-первых, иэ-за высокого уровня разнообразия существувших споообов построения ГФИН, основанных, В CBOD очередь, на различных способах линеаризации выходного напряжения в ГЛИН или различных способах повышения точности аппроксимации в других ГФИН. Отсюда, естественно, еще большее разнообразие схемных решение, отличавшихся обилием обратных связей; наличием цепей компенсации (коррекции); разнообразной элементной базой; характером аппроксимации функционального импульсного напряжения; функциональным набором свойств, определявшим чиоло моделей по числу состояний клочевых впементов схемы; наличием различных охем стабилизации режима и выходных параметров от температуры или внешних ре-гулирусщих воздействий и т.д. Успешное разрешение указанных вопросов ведет к создание общего подхода к проектирование ГФИН и ФП ФИН.
Возможность линеаризации многих моделей ГФИН требует разрешения обшей проблемы моделирования електронних компонентов в связи с требуемым повышением эффективности (скорости) ее реализации аналитическими методами (метода графов и теоретико-множественные методы) . Этот аппарат необходим прежде всего для проведения теоретических исследований ГФИН и других устройств. И, наконец, проблемы собственно проектирования и расчета ЮТ. Они вклччачт решение общих задач оптимального выбора (по предложенному ТЗ) способа построения уотройотва и затем оптимального выбора его схемотехнического решения. В ряде случаев возникает необходимость постановки и решения задач оптимального структурного (топологического) синтеза схемных решений. Задача расчета должна, наконец, ставиться либо как задача направленного оптимального параметрического
синтеза, либо в обычной постановке путем целенаправленного формирования ограничений с использованием известных методов опти.мизэ-пип. Остро назрела необходимость формирования обшего подхода к постановке задачи проектирования; анализа и систематизации формирования достаточно полного реестра технических требований на схемотехническое проектирование и расчет, т.к. его для ФП ФИН и ГФИП, как и для многих других классов схем, до оих пор нет.
Исследования п разработки функциональных преобразователей ФИН или ЛИЯ таете обозначены противоречиями, в именно: мезоту рз-пэнпец задачи повышения точности, чувствительности и решением задачи повышения скорости преобразования, которая гак и во всяком измерительном процессе той выше, чем пило достижимая точность. Существенно противоречив мехду соотношением объемов цифровоЯ и зналоговоЯ частей преобразователя, оаределяших ого основные свойства, а поэтому тробугаих постановки и решения задачи оптимизации этого соотноиения в условиях-ограничениях, ззданннх техническими требованиям!!.
Проблема моделирования и анализа преобразователей состоит в необходимости оптимального разбиения преобразователя на части, моделируемые на матзуровяе (информационные пронесен) и но макроуровне (электрические процессы) и т.д.
Проблеми проектирования и расчета преобразователей овязаны с необходимостью до сих пор непроведенлой систематизации функциональных преобразователей ФИН и в частности ЛЕН, выделением нзиболее характерных признаков и классификацией структурных схем. Необходима инженерные методы выбора структурной схемы прэобраэ^^юния ЛИП, наиболее полно отвечавшей заданный техническим тресканиям, а та; . алгоритм оптимального рэочвта метрологичеоких пг-аметроз преобразователей и другие оптимальные процедуры.
Анализ проблематики в области исследования и разработки ГФИН и И ФИВ (или ФАШ) позволяет сформировать елвдуклио цель и задачи исследования.
Цель работы:
разработать научные основы комплексного подхода к моделировании, анализу и синтезу, разработке и проектировании схем современных, формирователей ФИН п фу'тионапьных преобразователей, отличавшихся улучшенными кзчаствонпими показателями;
разработать эффективные олгорятн анализа и оптимального схемотехнического проектирования Гйїї? и ФАШ;
разработать и внедрить схеиотехнгсческие ргаеккл гг.'локс-
точных или высокоэффективных ГФИН и ФАШІ в радиоэлектронные устройства преобразования информации, управления и автоматизации (а составе радиотехнических систем различного целевого назначения). Основные задачи наследования:
поиск и обоснование выбора оптимальных математических моделей дня различных классов схем ГФИН и ФАШТ с учетом характера и цолей анализа;
разработка алгоритмов построения аналитических, топологических и теоретико-множественных моделей для схем ГФИН и ФАЦП;
разработка эффективных алгоритмов реализации топологических (графовых) и теоретико-множественных моделей;
исследование способов формирован ФШ на основе аппроксимации гладкими функциями;
синтез оптимальных схемотехнических решений аналоговых ГФИН прецизионного типа, а также для систем преобразования информации, управления и автоматизации;
синтез оптимальных схемотехнических решения пифроанаготовых ГФИН для систем автоматизации и программного управления;
вопросы экспериментального исследования и практической реализации ГОИН;
синтез оптимальных охемных решений ФАШ для измерения нелинейности ЛИН и других применений;
вопросы экспериментального исследования и практической реализации ОАШ;
разработка вопросов построения автоматизированной системы схемотехнического проектирования ГФИН;
апробация результатов исследования и разработки;
анализ и представление результатов внедрения.
Методы исследования. Топологическое и аналитическое моделирование на различных уровнях рассматриваемых динамических и информационных процессов в ГФІШ и ФАЦП. Аналитические методы реализации топологических моделей на основе сигнальных графов и теоретико-мнозествошшх методов. Теория обратных связей и теория чувстви-теїьностеЯ схемных параметров. Детерминированные и стохаотвчеокие методы оптимизации. С пельо подтверждения теоретических результатов проводились экспериментальные исследования ГФИН и ФАШ на натурних образцах, о также в составе систем, их вклочашзх.
Научная новизно: -- разработаны методы моделирования способов формирования ФИН,
схем ГФИН и ФАШ и предложены новые эффективные алгоритмы реализации топологических моделей;
предложен и теоретически обоснован новый принцип преобразования для целей измерения нелинейности амплитудных характеристик на основа ФАШ;
проведена систематизация способов.повышения качества интегрирования на основе обобщенной топологической модели ГФИН о обратными связями л разработаны теоретические основы принципа независимой компенсации ошибки интегрирования (нелинейности в ГЛИН)
и предложены оригинальные способы формирования ФИН. сочетавшие зависимую и независимую компенсацию;
разработаны теоретические основы построения пифроанапого-внх ГФИН,предложены оригинальные способы и схемы прецизионных аналоговых и многофункциональных пифроаналоговых ГФИН для программного управления и преобразования сигналов;
на основе проведенного анализа и систематизации технических требований ко всем типам ГФИН вперше разработана обшая структура системы схемотехнического проектирования ГИШ, включавшая подсистемы формирования технического задания (ТЗ), выбора и расчета оптимального схемотехнического решения и другие;
предложены и разработаны новые структуры функциональных аналого-цифровых преобразователей, обладающих выоокой производительностью, для измерения нелинейности ЛИН и других пелей контроля и автоматизации.
Практическая ценность заключается:
- в создании методики определения ооновных параметров ГЛИН
по обобщенному сигнальному графу;
- в создании методики расчета параметров цепей компенсации в ГЛИН о независимой компенсацией нелинейности;
в создании эффективного математического обеспечения для расчета схемных функций радиоэлектронных линейных цепей;
в создании методики инженерного схемотехнического проектирования ГФИН и в разработке ооотвотствугаего матобеспечения для САПР ГЛИН;
в создании методики проектирования и расчета ФАШ для автоматизированного контроля параметров ГФИН;
- в разработке новых способов (принципов) построения и различных (в зависимости от пеней использования) оригинаявных схемотехнических решений ГФИН я ФАШ для высокоточных систем управления, преобразования информации п автоматизации.
Указанные работы создавались преимущественно в процессе выполнения хоздоговорних работ с НИИ и предприятиями промышленности, по программам ГКНТ 0.14.02, Поле-2, Постановления СМ СССР от 23.12.76 г. Го І05Є, план п/я М-5273 и др.
Основные положения и результат работы вошли в монографии "Генераторы линейно изменяющегося ряжения", опубликованную Энергоатомиздатом в 1988 году, а также отдельными разделами в два учебных пособия для студентов электронных и радиотехнических специальностей "Методы анализа и расчета электронных схем", "Расчет и проектирование электронных схем", опубликованных издательством Томского госуниверситета в 1989 и в 1990 годах. Отдельные пояояо-ния имеет достаточно общи характер и могут быть использованы при решении аналогичных задач в других отраслях науки и народного хозяйства.
Реализация в народном хозяйстве. Результаты исследований и разработок использованы при проектировании и создании различных радиотехнических устройств и систем по заданиям предприятий и НИИ минзвиапромэ, минавтопрома, минрадиопрша, минэпектронпрома, минэпектротехлроиа, минередмаша, АН СССР и др.
-
Для СибНИА (г.Новосибирск) разработаны и изготовлены фор-ыироватепи для питания тензодатчиков в системе прочностных испытаний изделий.
-
Для НШ "Электрон" (г.Ленинград) разработаны и изготовлены комплекта ГЛИН и ФАШ аппаратуры для испытаний новых видеосистем.
-
Для ВНИИ "ЭлектромааГ (г.Ленинград) разработаны и изготовлены программные устройства на базе цифровналотовых формирователей в составе стабилизаторов тока сверхпроводящих нагрузок (СТСН) на 500 А,10О0А, 5000 А.
-
Дм ИАЭ гаї.И.В.Курчатова, НШ тепловых пропеосов, ВНИИ 3! (г.Мосхва) я других организации разработаны и изготовлены программные уотроЭотва на базе функциональных цифроаналотовых формирователей в составе СТСН на 1000-5000 А.
-
Дія автотранспортных предприятий г.Томска в Кирово-Чепешса в составе аппаратуры дія диагностики электрооборудования, сиотем сбора, обработки а отображения информации в АСУ ГО, в также в систем* контрой ее движением городского паооахнрокого овтотранопорта
разработаны методы оптимального проектирования САКТС и изготовлены программные устройства и преобразователи в составе периферийной аппаратуры, и ЦПУ.
-
Дія ТИАСУРа и НИИ АЭМ (г.Томск) разработаны опытный образец устройства цифровой коррекции телевизионной развертки и другие устройства в составе лабораторного оборудования УНПК "Бром-электроника".
-
Для НИИ измерительных приборов (г.Новосибирск) разработаны образны хронируших устройств.
Основные научные положения, выносимые на зашиту:
методы и результаты исследования способов (принципов) формирования ФИН, основанных на аппроксимации простейшими функциями;
методы и результаты исследования способов оптимальной схемотехнической реализации формирователей и преобразователей ФИН, основанные на комплексном подходе к решении задач синтеза, моделирования, анализа и проектирования радиотехнических уотройотв;
вопросы теории и метода построения автоматизированной системы схемотехнического проектирования фор-трователей ЛИН о учетои задачи выбора оптимального схемотехничеокого решения;
принципы к алгоритмы реализации теоретико-множественных моделей линейных электронных схем, отличавшиеся высокой эффективность*) .
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались:
-
На ВсесосзЕых научно-технических конференциях и семинарах: 5-я меявузовокая конференция по теории и методам расчета нелинейных электрических пепей и систем (Ташкент, 1975), 5-я научно-техническая конференция "Кэтрология в радиоэлектронике" (Москва,1981), 2-й симпозиум JFAC/iFIP/IFOf?S "Управление движением и транспортными системами" (Монте-Карло, 1974), "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов" (Барнаул,1982), "Измерения в технике радиоприема" (Москва, 1984), 4-й и 5-й семинары по теоретической электротехнике и электронике (Ньвов-Оашс, 1976,1978), 3-й Бенэрдосовокие чтения "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1987).
-
На отраслевых, республиканских и региональных конференциях' и семинарах: нтк по промышленной электронике (Томск, 1972), 1-я нтк ТИРиЭТ (Томск, 1969), 2-я, 3-я нтк (Красноярск, 1971,1972),
нтк по электронике (Томск, 1972,1974,1975,1981,1983,1985,1987,1990),
нтк по микроэлектронике (Новосибирск, 1979,1980), нтк "Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов в устройств" (Киев, 1979,1980,1985), 10-й нмо "Автоматизация проектирования в енергетика и электронике" (Иваново, 1986) и др.
Основные научные и практические результаты работы отражены в 22 отчетах по НИР ТИАСУРа и НИИ ASM, в 96 печатных работах, в том чиоде в 5 информационных тетках, в монографии "Генераторы линейно изменявшегося напряжения" и в двух учебных пособиях для студентов и аопирантов: "Методы анализа и раочета електронних охем", "Раочег и проектирование електронних схем". Приоритет технических решений, представленных в диссертации, защищен 30 авторскими свидетельствами.
Структура и объем диссертации. Диооертация ооотоит из введения, девяти глав, заключения и изложена на 247 отраншах машинописного текста, содержит 115 рисунков, 7 таблиц, список литературы на 27 страницах, содержащий 286 наименований, четыре приложения на 128 страницах.
