Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ Ц
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО УРОВНЯ РАЗРАБОТОК ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ 42
1.1. Приемопередатчики систем передачи цифровых данных по проводным линиям связи 42
1.2. Анализ электрических параметров цифровых приемопередатчиков 15
1.3. Сравнительная оценка современных цифровых приемопередатчиков / ? 22
1.4. Выводы 3S
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ІЩФР0ВУХ ПЕРЕДАТЧИКОВ СВЯЗИ
2.1. Цифровой передатчик для межмодульной связи, как буферное устройство БИС W
2.2. Исследование принципов, построения выходных каскадов цифровых передатчиков Щ
2.3. Реализация статодинамического принципа работы в буферном устройстве И Л-ТТЛ типа для ШС 50
2.4. Выводы 51
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ, ДЛЯ БНУТРИОБЬЕКТНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ 59
3.1. Цифровые передатчики в системе логических элементов с разделением функций 59
3.2. Выбор оптимального порога включения защиты передатчиков для систем динамических и потенциальных элементов
3.3. Исследование и разработка цифровых передатчиков для систем потенциальных элементов 68
3.4. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ ЛИНИЙ СВЯЗИ 97
4.1. Исследование предельных возможностей схем защиты цифровых передатчиков от перегрузок 97
4.2. Синтез схемы защиты с ускоренным включением 104
4.3. Синтез схем защиты с повышенной длительностью режима блокировки «,, ПІ
4.4. Исследование возможностей построения универсальной защиты цифровых передатчиков от перегрузок 124
4 5. Выводы 134
5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ ЦИФРОВЫХ ПРИЕМНИКОВ 136
5.1. Синтез обобщенных структур интегральной схемы помехоустойчивого приемника 136
5.2. Исследование способов построения многоканального цифрового приемника 151
5.3« Разработка серийного цифрового приемника 157
5.4. Выводы 165
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
ЛИТЕРАТУРА 171
ПРИЛОЖЕНИЕ I
Введение к работе
Современная технология полупроводниковых интегральных схем (ИС) позволяет разместить на одном, кристалле сложные цифровые устройства: микропроцессоры, память емкостью десятки кбит, программируемые логические матрицы и т.д. Внедрение этих устройств привело к децентрализации вычислительных систем и расширению области применения цифровой техники, в частности в составе бортового оборудования. Интегральное исполнение АЦП, ЦАП, первичных преобразователей и устройств предварительной обработки информации сделало целесообразным преобразование- измеряемого параметра в цифровую форму (иногда и предварительную обработку информации) на месте измерения. В связи с этим стали актуальными вопросы обеспечения помехоустойчивой- цифровой связи между источниками и потребителями информации.
Важной составной частью цифровой системы связи являются цифровые приемники и передатчики (ЦПП), преобразующие символы кода в цифровые сигналы и воспринимающие цифровые сигналы в линии связи на фоне помех.
Жесткие требования к бортовой аппаратуре по надежности и массогабаритным характеристикам определяют необходимость реализации её блоков и узлов, в том числе и ЦПП, в виде ИС или БИС. Однако возможности исполнения передатчиков в виде ИС, ограничиваются их мощностными параметрами а приемников - их помехоустойчивостью.
Существующие стандарты ( ГОСТ 18977-79, РЭД/1 1495-79, зару бешае ARIN6 5?5,ARWG№d,R&-№ и др.) накладывают дополнительные требования на ЩШ по мощностным характеристикам, входным и выходным параметрам, например, требуется сохранение работоспособности цифрового передатчика (ЦП) после короткого замыкания его выходов между собой или на общий провод, после сбоев или временного отключения схем управления, то есть при нестандартных входных сигналах.
Известные принципы построения и способы защиты от перегрузок ЦП ограничивают возможности повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик. Существующие ЦП, в которых реализованы эти принципы и способы, имеют мощность, потребляемую при перегрузках на выходе и нестандартных входных сигналах, в несколько раз больше мощности, потребляемой в норшльном режиме работы.
Известные способы подавления помех в цифровых приемниках не обеспечивают достаточной помехоустойчивости при исполнении приемника в виде ИС.
С ростом степени интеграции цифровых и аналого-цифровых схем происходит "сжатие" отдельных блоков децентрализованных бортовых систем по массе, габаритам и потребляемой мощности. В то же время требуемая выходная мощность ЦП и помехоустойчивость приемника, определяемые уровнем помех на объекте, остаются неизменными. По мере расширения функциональных возможностей отдельных блоков возрастает общее число ЦП и приемников в составе этих блоков.
Таким образом, влияние параметров ЦП и приемников (массы, габаритов, надежности, потребляемой мощности, помехоустойчивости) на параметры систем управления и сбора данных возрастает.
Поэтому проблемы повышения надежности ЦП и помехоустойчивости приемников в настоящее время становятся всё актуальней.
Повышение надежности ЦП можно обеспечить различными способами: резервированием, улучшением теппоотвода, использованием более мощных компонентов с целью увеличения запаса по электричес -5 ким и тепловым режимам эксплуатации. В этих способах повышение надежности достигается за счет ухудшения массо-габаритных и мощностных характеристик, которые достаточно критичны для бортовой аппаратуры.
В данной работе проблемы повышения надежности решаются за счет усложнения микроэлектронной части ЦП, что не ухудшает, а в отдельных случаях позволяет улучшить массо-габаритные характеристики. Надежность повышается при снижении мощности потребляемой ЦП, а также при сохранении ЦП работоспособности после перегрузок на выходе или нестандартных входных сигналов.
Аналогично вопросы повышения помехоустойчивости приемников, рассматриваются при условии сохранения или улучшения массо-габаритных характеристик.
Целью диссертации является исследование и разработка надежных ЦП и помехоустойчивых цифровых приемников для проводных линий связи.
Поставленная цель определяет следующие основные задачи:
- исследование принципов работы ЦП, обеспечивающих снижение потребляемой мощности в нормальном режиме работы, то есть при номинальной нагрузке; - разработка структур ЦП и реализаций этих структур с пониженной мощностью потребления в нормальном режиме работы; - исследование предельных возможностей схем защиты от перегрузок и алгоритмов функционирования этих схем;
- синтез новых структур ЦП с эффективной защитой от перегрузок;
- исследование способов защиты от перегрузок при нестандартных входных сигналах; - исследование способов подавления помех в цифровых приемниках и возможностей реализации этих способов при интегральном исполнении приемников, в частности многоканальных.
Диссертация состоит из пяти разделов.
В первом разделе цифровые приемники и передатчики видеосигналов по проводным линиям связи классифицированы по конструктивным признакам объектов, между которыми осуществляется связь. Проведен анализ основных электрических параметров приемников и передатчиков. Дана сравнительная оценка современных ЦП и приемников, определены нерешенные в полной мере проблемы защиты ЦП от перегрузок и приемников от помех в линии связи. Определены основные задачи дальнейших исследований.
Во втором разделе исследованы вопросы построения ЦП для межмодульной связи, как буферного устройства ШС. Исследованы принципы построения выходного каскада ЦП, предложено применение стато-динамического принципа (СДП) работы, предложена функциональная схема ЦП со СДП работы пригодная для исполнения в составе ШС и твердотельной ИС. Рассмотрена оригинальная реализация функциональной схемы ЦП для ШС И2Л типа. Обоснована целесообразность применения таких схем в ШС.
В третьем разделе получены аналитические соотношения для выбора величины порога включения защиты для ЦП внутриобъектных линий связи, при этом учтено ограничение на длительность импульса ЦП для системы динамических элементов (СДЭ) и отсутствие такого ограничения в ЦП для систем потенциальных элементов (СПЭ). Предложена модификация статодинамического принципа работы, позволяющая стабилизировать КПД выходного каскада при изменении емкостей нагрузки. Приведены оригинальные схемы ЦП для СДЭ, СПЭ, ЦП, реализующего модифицированный стато-динамический принцип работы, ЦП с сигнализацией о КЗ.
В четвертом разделе исследованы алгоритмы функционирования идеальной защиты. Анализ возможностей этих алгоритмов позволил создать три базовых алгоритма функционирования защиты, по которым синтезированы три оригинальные структуры ЦП с пониженной мощностью потребления при перегрузках. Исследованы условия возникновения сквозных токов в выходных каскадах ЦП и разработаны оригинальная схема универсальной защиты от перегрузок и схема предотвращения сквозных токов при нестандартных входных сигналах.
В пятом разделе исследованы способы подавления помех в цифровых приемниках. Предложены обобщенные структуры помехоустойчивых цифровых приемников и методика выбора структурной схемы многоканального приемника. Разработан способ подавления парафазных помех и реализующая этот способ оригинальная схема. Разработаны оригинальные схемы цифрового приемника 75АП002 и его модификации. В заключении отражены основные результаты и выводы по работе.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Предложен способ реализации стато-динамического принципа работы ЦП, в отличие от известных способ позволяет выполнить ЦП в составе БИС или в виде ЙС. Предложен модифицированный стато-динамический принцип работы, ЦП, позволяющий стабилизировать КПД передатчика при изменении нагрузки.
2. Получены аналитические соотношения для выбора оптимальной (по мощности, потребляемой ЦП) величины порога включения защиты ЦП, которые учитывают сособенности работы ЦП в системах потенциальных и динамических элементов.
3. Разработаны алгоритмы функционирования идеальной схемы защиты ЦП от перегрузок, которые в отличии от известных позволяют ограничить рассеиваемую при перегрузках мощность приемлимой величиной. Предложены базовые алгоритмы функционирования защиты (включающие по одному существенному условию из алгоритмов функционирования идеальной защиты), которые позволяют синтезировать схемы эффективной защиты ЦП, без огра -9 ничений на параметры нагрузки и выходного сигнала.
4. Предложены способы построения универсальной защиты от перегрузок, которые в отличии от известных позволяют реализовать эффективную защиту от перегрузок на выходе и нестандартных входных сигналов, способных вызвать сквозные токи.
5. Предложены обобщенные структуры помехоустойчивых цифровых приемников в интегральном исполнении и способ подавления пара-фазных помех, позволяющий в отличии от известных подавлять пара-фазные помехи повышенной амплитуды, предложена методика выбора структурной схемы многоканального приемника.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Предложенное применение стато-динамического принципа позволяет реализовать ЦП в составе ШС, так как потребляемая схемой управления выходными транзисторами мощность снижается в 5 10 раз а потребляемая при коротком замыкании (КЗ) на выходе мощность снижена более чем вдвое. Предложенный модифицированный стато-динамический принцип работы позволяет снизить потребляемую ЦП мощность при непредельных емкостных нагрузках. Оба принципа обеспечивают повышение надежности ЦП за счет улучшения теплового режима ЦП.
Разработанные алгоритмы функционирования схемы защиты и способы построения универсальной защиты позволяют строить ЦП с мощностью, потребляемой при перегрузках на выходе и нестандартных входных сигналах, меньшей мощности потребляемой в нормальном режиме работы. Это позволяет увеличить надежность ЦП за счет устойчивости к аварийным нагрузкам на выходе и недопустимым сигналам на входе.
Обобщенные структуры помехоустойчивых приемников, способ подавления парафазных помех и методика выбора структурной схемы многоканального при -/0 емника позволяют.повысить помехоустойчивость приемников, реали -зуемых в виде ИС.
Разработанные ЦП имеют повышенную надежность и улучшенные массо-габаритные характеристики за счет исключения мощных навесных компонентов, 9 схем ЦП защищены авторскими свидетельствами. Разработанные цифровые приемники имеют повышенную помехоустойчивость, 3 схемы приемников защищены авторскими свидетельствами.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении в ОКБ "Миус" хоздоговорных работ: 32Ш7 (НИР), 32Ш9 (ОКР) под названием "Разработка устройства сбора и передачи кодовой информации по кабельному каналу (УЖИ)"; 324103 (ОКР) по разработке серийного приемника и передатчика по ГОСТ 18977-79; 321427 (ОКР) "Разработка микросборок передатчика и приемника биполярного последовательного кода в развитие серии микросборок 75АП и обеспечение РТМ I495-79V.
Разработанный ЦП 75АП00І и приемник 75АП002 (A.C.J6 1003334) внедрены в серийное производство.
Результаты практического использования и ожидаемый экономический эффект (515 тыс.рублей) подтверждены в акте об использовании и справках предприятий о внедрении результатов работы.
Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
конференции "Новые электронные приборы и устройства". (Москва, МДНТП, 1982г.),
семинаре "Микропроцессоры и их применение" (Пенза, 1983г.),
региональном семинаре СКЩ БШ "функциональные микроэлектронные устройства и их элементы" (Таганрог, 1983г.),
конференциях ТРТИ 1981 и 1982 годов.
По результатам исследований автором опубликовано 6 печатных работ, получено 10 авторских свидетельств и 2 положительных решения по заявкам на изобретение.
