автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Аналого-цифровые процессоры ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной информации

Х-к&ч. .4 /

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции г . 'электротехнический институт имени В.И.Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

МУРСАЕВ Александр Хафиэович

УДК 681.325.5;681.34 (043)

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРОЦЕССОРУ ВВОДА-ВЫВОДА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 05.13.05-

Элемёнты и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ленинград - 1989 // / , ^

Мг

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехническом институте имени В.И.Ульянова (Ленина).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Бондаренко А.В,

доктор технических наук, профессор Волгин Л,И, доктор технических наук Кондалев А.И.

Ведуцая организация - ЛНПО "Электроавтоиатика".

Защита.оостоитоя "_" _1990 г, в "_" часов

на заседании специализированного совета Д 063.36.02 Ленин« градского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции олек-тротехническогс. институты им. В.И.Ульянова (Ленина) поадреиу; 197022, Ленинград, ул.Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан _» ._ | 19 - года.

Учений секретарь специализированного совета

Азбедев П,П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Создание автоматизированных систем управлений технологическими процессами, информационно-измерительных комплексов» ойстем автоматизации научных исследований происходит сегодня в направлении иерархических децентрализованных систем управления, основу которых оставляют локальные управляющие устрой» о*ва на базе Мини-ЗЗИ й микропроцеасяров» В таких системах значи-» тельная Часть исходной информации и результатов представляется в непрерывной форме» Обработка гапат ооуизотвлягыэя аналоговыми или цифровими методами. Важнейшее значение при этом приобретает проблема аналогового обрамления управляющих 3i3M, то воть рационального построения их связи о объектами управления*

S Наотояцее время при развития систем* в которых присутствует непрерывной представление информации, доминирует тенденция построения с (»¡¿пользованием лийэйного аналого-цифрового преобразования нгновеиннх значений видных сигналов и обработки данных в цифровой фэркз* Внходшй непрерывные сигналы при этом формируется в результате линейного цйфрЬаналогового преобразования вычисленных значений выходныхпеременных. Однако такое построение часто ведет в неоправданному укесточеНию требования как к преобразователям, таг. и к ЦйфровЬму блоку по точностН. я Производительности.

При-обработке непрзрюной информации возникает широкий круг задач Предварительного прз образования, включавший нормализации и ®1льтрацив-сигналов, преобразование непрерывной информедии в отсчеты цифрового кода, контроль аналоговых блоков, коррекции погрешности, осуществление взаимной связи первичных преобразователей о цифровыми вычислителями и,другое задачи предварительной обработки данных.

Для выполнения подобных задач могут попользоваться аналого-цифровые пзряфэр-чюшз ицчиоантельннз устройства, в которых обработка мояет осуществляться в Цифровой, аналоговой или оиешанной форме» РеЦиональный йыбор форма представления информации при выполнении 1Шлйчвых операций позволяет сущэатвзнно повысить быстро-дейотвйб устройств и точность вбработки данных.

Работа посвящена' сАвергаенотвованип теории и инженерных кето»

дов проектирования аналого-цифровых процеоооров ввода-вшзода и предварительной обработки информации - интеллектуальных посредников ыедду управляющей ЭВМ и аналоговой перифериен системы управления. lix важнейшей особенности явдяатоя тесное взаишдействиэ с центральным процессором (ЦП) системы на физическом и программном уровне, а основное требование к ним - обеспечение высокой точности преобразования и обработка данных в реальном масштабе времени при гибкости программирования. ¿то позволяет выделить аналого-цифровые процессоры вводе-вывода и предварительной обработки непрерывной информации (АЦГШ) как самостоятельный класс устройств вычислительной техники и систем управления.

Программируемое^ АЩ1П определяет целый ряд особенностей их построения, требует поиска общих принципов организации их функционирования, в рамках которых аффективно решались бы вопроси обеспечения высокой точности преобразования и решения достаточно широкого круга задач обработки информации.

Состояние проблемы. В области повышения точности оиотем ввода-вывода непрерывной информации ведутся интенсивные исследования у нас в стране и за рубежом. Повышение точности монет достигаться как технологическими методами, ориентированными на создание компонентов повышенной точности и стабидьнооти, так и отруктурными методами, предусматривающими компенсации или коррекции погрезностей исходных компонентов. Несмотря на значительный успехи.технологии трудно рассчитывать на появление в ближайзее время технологий, обеспечивающих погрешность аналого-ци(|ровых элементов в составе монолитных БИС менее 0,01%, » даже приближение к этому уровне на пути совершенствования технологии приводит к большим aaTpaTioM на изготовление подобных приборов, росту их стоимости, сниненио надежности. Поэтому значительное* внимание уделяется отруктурным методам. Существенный вклад в разработку структурных методов повыет-ния точности внесли научниг коллективы, основанные и руководимые Алиевым Т.М., Гитисом Э.'И., Касперовичен А.Н., Ковдалевым А.И., Ребане Р.-А. П., Островерховым B.B., Сноловым В.Б., Стаховым А.П., Федорковым Б.Г., Шляндиным В.М. и другие, Иэвесны разработки зарубежных фирм: "Л па tog Devise" "Buii-bioufi'1, "Ciislott semicon-с/uctois" "InteisiC" "Н/Чосйу" и других.

Однако до сих пор разработка средств автоматического контроля и коррекции ведется в основном на интуитивном уровне, В связи о этим возникли серьезные проблемы с коррекцией нелинейных составляющих погрешности, налицо чрезмерные затраты времени и оборудования на контроль и коррекцию. Отсутствуют обобиаюаие исследования в области структурных методов коррекции динамических погрешностей.

Программируемые аналого-цифровые устройства строятся глапнын образом на основе элементов с цифроупраэляемыми параметрами, Пионерскими в этом направлении яэились работы З.Б.Смолова. Впоследствии в разработку подобных устройств существенный вклад внесли Алексеев Г.И., Волгин Л.И., Герасимов И»3., Гутников B.C., Пухов Г.Е., Смеляков 13.5,, Угромов Е.Л., Фомичев B.C., Циделко З.Д., Чернявский Е.А,, Карплпс У,, Корн Г., Меиер i-.., Сандер У., Тауер M.S., Шмид Г, и другие. Однако бодьиинство известных публикаций рассматривают аналого-цифровой вычислитель как автономное устройство. Вопросы рационального выбора набора компонентов для ревекия конкретного набора задач, оптимизация распределения системной задачи медду аналого-цифровым блоком сиотемы и центральным процессором, являющиеся основой структурного оинтеза вычислительно-управляющей сиотемы, недостаточно исследованы.

Решение задач оптимального оинтеза олояных сиотен опирается на теоретический фундамент,' заложенный в работах Фельдбаума A.A., Горбатова В.А,, Норенкова И.П., Половинкина Л.И«, Цвиркуна А.Д, Применительно к задачам проектирования аналого-цифровых систем вопросы структурного синтеза разрабатывали Ковдалев Моисеев B.C., Мухопад Ю.Ф., Собкин Б.Л. и другие.

Вместе о тем рад важных особенностей аналого-цифровых управляющих вычислительных комплексов, превде всего, многовариантность выбора исполнителей решаемой в системе задачи, учет общесистемных требований, например ограничении на время обслуживания подзадач, нет функциональной и иной совместимости узлов недостаточно учитываются в изаеотных работах.

Принимая во внимание вывеизложенное, моиио сделать следующие юновные выводы:

- в настоящее время разработка структурных методов повыиения

точности, являпщаясл главной предпосылкой создания высокоэффективных аналого-цифровых процессоров, ограничивается набором рецептурных приемов ревения чаотных задач, и, как следствие, отсутствием эффективных средств компенсации ряда составляющих нелинейных пог-реиности преобразования;

, - практически не реиены проблемы поиске оптимальных структур . комплексов, работающих со смешанным представлением информации;

- разработку теории и методов проектирования аналого-цифровых процессоров ввода^вывода и предварительной обработки непрерывной информации можно квалифицировать кок крупную научно-техническую проблему в теории специализированных средств вычислительной техники о важным народно-хозяйственным значением»

Цель и основные задачи работы. Целью исследования является разработка теории аналого-цифровых процессоров ввода-вывода и пред- . верительной обработки непрерывной информации, соверяенствование существующих и создание новых методов их построения, ориентированных на уменьшение погрешностей и перестройку на решение типовых задач обработки, а также методов структурного синтеза аналого-цифровых процессоров.

Исходя из поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи: ■

- исследование источников логреаности преобразователей формы информации и разработка методов их идентификаций;

- развитие теории планирования аксгсеринентов и разработка на ее основе аффективных способов контроля и коррекции погрешностей;

-выделение извеьтны; и разработка новых отруктур вычислительных аналого-цифровых преобразователей! их декомпозиция с целью по» следующего объединения в рамках перестраиваемого ан ало го-цифрового процессора; ... ■

- разработка алгоритмов оптимального распределения реиаемой задачи з многоканальной системе ввода-вывода и предварительной обработки информации;

- развитие логикокомбинаторного подхода к синтезу сложных систем и теории синтеза операционных устройств применительно к решению задач проектирования устройотв'са смешанным представлением информации. , *

Методы исследования базируются на общей теории вычислительных систем, теории электрических цепей, теории планирования экспериментов, теории якал, теории переключательных функций, теории автоматов, математическом программировании. Широко используется моделирование- на ЭВМ, экспериментальные методы.

Научная новизна. Основные научные результаты, полученные в работе состоят з следующем:

I. Ввдёлены принципы организации программируемых аналого-цифровых процессоров ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной ййформвций»

2* Прздлойени обоснован иерархический ряд моделей погрепио-стой прёобразова^лей формы информации»

3. предложен единый подход к организации контроля погрешностей преобразователей с использованием метода дифференциальных нзмере» вйп, основанный на поиске оптимальных по чувствительности планов тестовых экспериментов й реяенни онотом уравнений, порождаемых результата)^.! измерений.

.4, Заедена в рассмотрение обобщенная модель преобразователей ^ормы информации с коррекцией погреаностеа,- выведены новые положения теории дйскретных икал, позволяющие определять условия осуществимости коррекции и контроля двух- н многоступенчатых структур 1рзобразования, синтезировать новые структуры*

5, Введено формальное описание, созданы методики и разра^ота-10 алгчритмичоокое обеспечение; синтеза средств предварительной об-з«5боткй нёпртршной информации на системном, модульном и функцио-тльно-логйчееком уроанпх4

Практическая ценность« Получениыз в работе результаты составит теоретйческуп и- техническую оскову аналого-цифровых устройств ювыяениой точности и производитеяьности, обладавших расаиреиными )ункционйльныни возможностями, Разработан ряд новых способов конт- . юля и коррекции статических и динамических пограеностей, обеспечи-1вих создоние устройств, характеризушихся недостигавзимся ранее ючетаннем точности и производительности. Разработанные средства ¡одегшрования процессов преобразования с автоматической коррекцией

погреяностей позволяют определять оптимальное соотношение параметров компонентов и предельно достижимые точностные характеристики оиотем автокоррекции. Предложенные в работе подходы к синтезу систем 'обработки непрерывной информации, выбору исполнителей фрагментов задач обеспечивает основные этапы проектирования подобных систем и имеет значение, выходящее за рамки средств обработки непрерывной информации в область общей теории распределенных вычислительных систем.

Достоверность и эффективность разработанных моделей, методик и алгоритмов анализа и синтеза подтверждены практическим изготовлением при непосредственном участии автора и экспериментальной проверкой ряда устройств преобразования информации, включенных в системы контроля и управления, разработанные по заказам научно-исследовательских и промышленных организаций.

Тематика диссертационной работы тесно связана с планом хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполняемых ЛЭ1М им. В.И.Ульянова (Ленина). Исследования выполнены на кафедре Вычислительной техники ЛЗТИ о 1978 по 1989 г.г, по заказам ведущих организаций: Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (ВНИИЗП}, Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт медицинокой лабораторной техники (ВНИКИ МЛТ), НПО "Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева" и ряда других организаций. Значительная чаоть работ выполнена . по договорам о творчеоком сотрудничестве.

Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое применение в следующих разработках, выполненных при непосредственном участии автора: -

- многоканальный измерительный прибор для определения параметров переменного тока (ВНИИ^П, 1985 г.),

- иеотнадцатиразрядный АЦП для системы управления химическим производством (1986 г,),

- автоматизированная измерительная система для измерения параметров электронного парамагнитного резонанса (1986 г.),

. - быстродействующий параллельно-лосяедовательный шестнадцатиразрядный АЦП (НТО АН СССР, 1988 г.),

- микропроцессорный контроллер для управления линейным уокори-телем электронов (НИИЭ£А им. Д.В.Ефремова, 1987 г.),

- микропроцессорный контроллер для образцового газоанализатора (НПО "ЗНИИМ им. Д.11.Менделеева, 1987 г.),

- многофункциональный преобразователь КМП816ХА1П (ЗШШ,1, 1981 г.),

- многофункциональный аналого-цифровой преобразователь - лине-аризатор характеристик термопар (ЗНИИЗЛ, 1985 г.),

- многоканальная система ввода-вывода аналоговой информации (1989 г.).

На указанные разработки имеются официальные акты, подтверждающие использование й них результатов диссертации. Суммарная экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 797 тыо, рублей в год.

Ооновные результаты диссертационной работы используются в учебном процеосе ЛЗТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) при чтении курсов и проведении лабораторных работ по дисциплинам "Структурные олементн и узлы ¿3.4", "[Проектирование микропроцессорных оистем", "Спецпроцессоры ЭВМ и других. Материалы диссертации использованы в четырех учебных пособиях.

Аппробация работы. Основные научные и практические результаты исследования дохладыэалиоь и обсуждались на 3,4,5 Всесоюзных конференциях "Дальнейшее развитие аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники" (М., 1969, 1973,-1977;} 4,5,6 Всесоюзных симпозиумах "Проблемы создания преобразователей форма информации"(Киев, 1980, 1984, 1988); Всесоюзной конференции "Линейные интегральные схемы й их применение в приборостроении" (Л., 1977); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования измерительных преобразователей параметров электрических окгналов и цепей" (Ульяновск, 1978); Всесоюзной конференции "Коммутация и преобразование малых сигналов" (Л., 1981); 2 Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов".; 2 Всесоюзный конференции "Применение микропроцессорной техники при автоматизации технологических процессов: Информэлектро"1 (М., 1987); Всесоюзном симпозиуме по, цифровой обработке сигналов (Л., Г98Я); Межрегиональной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (Саранск, 1989); Региональных кон-, ференциях "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических цепей и сигналов" (Пенза, 198.1, 1983, 1985,

1968); Конференции "Изтади и оредотва цифрового прзобразовения и обработки информации (М.5 1985); Республиканской конференции "Устройства преобразования информации для контроля и управления в экер» гетике" (Харьков, 1988);Ч научное конференции о учаатиеи болгарских аспирантов и докторантов в Ленинграда (Л.,. 1986), о также иа-учно-технических конференциях професоорско-гпреподавательского оо-отава Л31\1 им. В.ЙЛльяновй (Ленина) 1975-1989 г.г.

Выполненные разработки отмечены бронзовой медалью ВДНХ СССР (1986 г.), трзтьей премией и бронзовой медалью Минвуза СССР "За яучэуи научную работу" (1986 г.), дипломами второй степени на конкурсах Ленинградского отделения НТО приборостроителей в 1987 и 1988 годах.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 30 работах в изданиях, включенных в списки БАК СССР, в том числе трех монографиях, брошюре, четырех учебтя пособиях, получено 26 автоооких свидетельств.

Положения, выносимые на защиту«

1. Методы контроля и коррекции преобразователей Апрна информе.-ции, основанные на периодическом тестовом контроле о использованием дифференциальных измерений и идентификации источников погрзшности, предусматривающие репение систем уравнений, получаемых подстановкой результатов измерений в уравнение принятой модели, а также методика синтеза оптимальных наборов тестовых испытаний,

2. Обобщенная модель преобразователей формы информации с коррекцией и новые голодания теории дискретных вкад, позьоляяадие определять условия осуществимости контроля и коррекции, оптимизировать аппаратурные и временные затраты, синтезировать новые структуры преобразователей. ■'■

3. Методика синтеза систем ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной информации, методическое, алгоритмическое обеспечение его основных етапов (системного, модульного, функционально-логического).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, вести разделов, заключения и содержит 260 стр. маиинопионого текота, ад рисункои, 7 таблиц. Библиография содержит 329 наименований.

Б четырех прилойениях содержатся введения о выполненных разработках устройств и систем ввода-вывода непрерывной информации И) ре-

зультаты их экспериментального исследования, примера использования методик и программных средств структурного омнтеэа и моделирования систем ввода-вьтода непрерывной информации, à такие документы о внедрёнии результатов диссертационной работы,

КРАТКОЕ СОДШАКИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формируется цель иосйовнае задали диссертации, атйечаатся новизна и практичес-. кая ценность работы,

В первом разделе рассмотрена принципа построения и перспективы раззятип аналого-цифровых уотрайота, определен круг наиболее вффзкйтнг) реааёмых ййв задач, обсугдавтея пути создания многофункциональных ано.логоцифрозих псрнрорйнцх працэссоров (АЩ1П).

В системах обработки йепрйргайой инфор-мсции с использованием ЦВМ BoS^oisffla раэличпие вар4»анта оргайизации вычислительного процесса - последовательное соединение аналоговая и цифровых блоков с о вяявчешгей прзобразсшатэлей (¡гарми информации (П1И) кекду кики, параЛлельнай обработка, йонбшшровашшз варианты, До последнего врзменн доминируете пойойение занинезт органкаециА, при которой аналого-цйф^ацз блока. используатся только для преобразования формы информации, а анчиолй^элшая обработка онгкдаяется исклочтль-по цйфройыж» орздетвагт. Однако йа пути использования чисто цифровой обработки сигналов, в том чиоле о примвнениви аналоговых микропроцессоров BOstfltKanî трудности при обеспечений Предельных характеристик по tomhooî« и быотрддейотлив система, еэ Контроля. Преодоление отИх трудностей часто более эффективно достигается с применением цифроупрейляеных аналоговых прзобразова?елвй.

Комбинирование цифровых и аналоговых вычислительных.средств позволяет, s частности, раяать следув^ие задачи:

1. Уиеньяение статических погрешностей преобразования без повышения точности компонентов;

2. Расйирение допустимой полосы частот обрабатываемых сигналов при сохранении статической точнооти.

3. Самоконтроль и саморемонт аналоговых и цифреаналоговых блоков. . ■ . ■

Ц. Настройка структуры на априорно заданные параметры и адап-

- Ю -

тация к текущим параметрам потоков данных и внутреннему состоянию канала.

По аналогии с цифровыми микропроцессорами, унифицированность технического решения и гибкооть программирования которых обеспечила ян широкое внедрение во все сферы обработки информации, в циф-роаналоговой технике следует ожидать наибольшего прогресса на пути поиска унифицированных отруктур, программирование которых, алпа-ратно интерпретируемое коммутацией блоков, позволит оперативно перестраиваться на решение конкретных задач.

Рассмотрения возможных путей построения АЦПП, как интеллектуальных программируемых посредников между ЦВМ и аналоговой пер|ферией позволило вцделить следующие принципы их организации:

1. Многофункциональное использование компонентов, единство способов обмена, программируемость при существенной роли структурной организации вычислительного процесса.

2. Использование для построения аналого-цифровых БИС структур, обеспечивающих прежде всего повышение точности преобразования. Решение других задач обработки реализуется в рамках структур точных 1Ш на основе общих алгоритмических и функциональных компонентов.

3. Построение прецизионных линейных преобразователей как грубо-точных адаптивных систем, в которых информация преобразуется как минимум в двух каналах, причем погреиность грубого канала компенсируется точным каналом по результатам контрольных испытаний.

Контроль характеристики преобразователя формы информации рассматривается как реяение задачи идентификации источников погрев-ности в рамках принятой тдекватной модели.

Структурно АЦПП предполагается состоящим из четырех относительно самостоятельных блоков: блока связи о ведомым оборудованием, блока связи с ведущим процессором, блока расширения локальных рес-сурсов и внутреннего "интеллектуального" блока обработки данных.. Последний предполагается реализовать как сочетание цифрового специализированного или универсального процессора и набора коммутируемых аналоговых узлов. Определены особенности блоков АЦПП и определены проблемы их проектирования, решаемые в диссертации.

Второй раздел посвящен разработке теоретических оонов и методов контроля и автоматической коррекции погрешностей преобразователей формы информации - одного из наиболее перспективных путей

повышения статической точности. Автоматическая коррекция о тестовым контролем основана на идентификаций по результатам тестовых испытаний параметров модели ГМ, отражающей с заданной точностью поведение функции погрешности преобразования на допустимом множестве входных воздействий. Если модель адекватна и ее параметры определены, то удается добавлением поправок к входной (выхоциоя) величине или воздействием на элементы ПгИ скомпенсировать погрешности преоб-. разования. Оценку отклонения реальной характеристики от идеализированной желательно получить без использования прецизионной повероч- • ной аппаратуры. Вводимые для организации контроля и коррекции дополнительные средства могут вносить собственные погрешности» Выбор й оценка методов контроля и коррекции должны учитывать свойства П$И и эти дополнительные погреаности, обеспечить компромис между объемом тестовых испытаний, вычислений, достижимой достоверностью контроля и эффективностью коррекции.

Для идентификации параметров необходимо выполнить измерения на наборе тестовых воздействий, число которых на меньше чиола неизвестных параметров и решить систему уравнений

0)«0, ¿.«-и,..,*; Ьт,

где ОС-^ - вектор входного воздействия;

О = {^».фа.--.} - вектор неизвестных параметров;

"" уравнение объекта (модель.,П$И); • ■ ц - измеренная реакция.

В работе показано, что для отатической погрешности нелинейности ЦАЛ - узла, вносящего наибольшую погрешность нелинейности современных высокоразрядных П#И - удается создать адекватные модели, порождающие системы уравнений идентификации', линейные относительно неизвестных параметров.

Достоверность контроля существенно зависит от набора испытаний, называемого планом тестовых испытаний. План испытаний для ЦАЛ пред-стазляет дискретное множество. Задача планирования эксперимента состоит в выборе из полного множества допустимых воздействий некоторого подмножества , Планы существенно отличаются по чувствительности к погрешностям'измерения. В качестве критерия сравнения планов принята мера обусловленности матрицы коэффици-энтов порождаемой системы уравнений, определяемая как произведение

эвклидовых норм прямой и обратной матриц системы уравнений, и связывающая погрешности результатов решения с погрешностями задания вектора свободных членов.

При контроле Ш?И применимы два существенно различных метода измерений - измерение выходных сигналов относительно одного общего уровня аналоговой величины, обычно принимаемого за нулевой, и дифференциальные измерения, то есть измерение изменения выходной величины при некотором малом изменении тестирующего воздействия.

Преимущество метода дифференциальных измерений состоит в том, что он позволяет выполнить контроль ЦАП пр) использовании измерителя, относительная погревность которого имеет тот же порядок, что и погрешность контролируемого прибора. Прибором, имеющим относительно небольшой диапазон входных сигналов, а значит малую абсо-лютнуо погрешность измеряет разность висодных сигналов ЦАЛ на

парах смежных кодов, где гп - число неизвестных параметров модели, то есть

где ^ и - числовые эквиваленты кодов, подаваемых на ЦАП

в ^ -ом испытании, ^ -результат измерения, $ -коэффициент преобразования измерителя.

Технически процедура дифференциальных измерений сводится к измерению разноото каждого из недряжений Vи близкого к ним напряжения, генерируемого вспомогательным ЦАП, с.пооледуюлим вычитанием результатов измерений. Показано, что погрешности вспомогательного ЦАП практически не влияют на результаты контроля.

На основе анализа источников погрейгооти монолитных ЦАП и АЦП предложен комплекс моделей ЦАЛ различной сложности и точности описания погрешностей, в том числе позволяющих учитывать нелинейные эффектах в дискретных делителях тока и напряжения.

Большая группа методов автокоррекции основываетоя на предположении о независимости разрядных коммутируемых опорных мер от преобразуемого кода, то есть принимается

¿Я-соп&Ь; 1ч.а.-.п.

главке {0,1} - 1-ая разрядная цифра п -разрядного кода, представляющего число Н , Ошд и Ьц - идеальное значение веса 1-го разряда и погрешность его задания, Рем- смещение характеристики.

Показано, что из возможных 2* -I дифференциальных измерений возможно выбрать лишь п-1 линейно независимых в рамках линейной модели., причем все наборы равноценны по чувствительности к погрев-ноотям измерений. Чувствительность зависит лишь от двух дополнительных измерений - точек плана для измерения масштаба преобразования и смещени/г - выполняемых измерением разности выходного сигнала на определенных кодах й внешними мерами, принимаемыми за эталоны. Чувствительность уменьшается при увеличении разности мевду этими мерами.

Контроль и коррекция на основе линейной модели требуют небольшого объема измерений, алгоритмы вычисления погрешностей и поправок весьма прости. Однако в монолитных преобразователях использование коррекции только разрядных весов не позволяет обеспечить погрешности после коррекции менее 0,01£. Дальнейшее повышение точности ограничивается нарушением в монолитных ИЗ принципа суперпозиции, постулированного в ранее рассмотренной модели.

Анализ структуры, схемотехники и технологии ряда современных ЦАП позволил постулировать уточненную модель ЦАП, в которой нелинейные эффекты трактуются как взаимное влияние разрядов П и -

ШМ)- О)

где Дц - "собственная'', то есть независящая от остальных разрядов составляющая погрет ности 1-го разряда, ¿^-погреиность взаимного влияния.

Экспериментальные исследования подтвердили, что эта модель опиоывает многие монолитные ЦАЛ о погрешностью) го крайней мере не более 0,001$, что достаточно для построения П$И о разрешением на уровне 15-17 двоичных разрядов на компонентах средней точюсти за счет автокоррекции,.

Для контроля и коррекции [(АЛ в рамках приведенной модели синтезирован ряд планов тестовых экспериментов и разработаны основанные на этих планах способы калибровки с применением метода .дифференциальных измерений.

Задачи синтеза оптимального точного плана состоят в том, чтобы из И =2n-f возможных дифференциалifitix измерений выбрать

т* n (n +1)/2, порождающих систему уравнений идентификации с минимальной мерой обусловленности. Для п»Ч в результате полного перебора установлено, что оптимален план Р ={2,3,4,5,6,8,9,12,14, 15}, где каждое число представляет десятичный эквивалент тестового кода, включенного в план. Направленным перебором синтезированы оптимальные планы для больших п . Среди неоптимальных по чувстви-телшпсти планов в оде лен план, содержащий все коды N* с одной и двумя единицами. Преимущество контроля о использованием этого плана - простота решения системы уравнений, обусловленная тем, что порождаемая система уравнений легко разбивается на п независимых систем уравнений с почти диагональными матрицами коэффициентов.

Рассмотрены возможности повышения точности идентификации с использованием избыточных планов. Задача ставится как задача аппроксимации функции $(N,Q) линейным многочленом вида (I) по величинам приращения функции в точках с истльзованием метода наимень-

ших квадратов. Получен общий вид системы уравнений идентификации и определены оптималшые планы для идентификации по этому методу.

G аналогичных позиций рассмотрены также контроль и коррекция по модели предполагавшей превалирование полиномиальной соотар-лясщей характеристики входных и выходных аналоговых узлов ЦДЛ над другими составляющими суперпозиционной погрешности:

V(N)' ¿L (ОШ N*.

где Ai. и Ai, V постоянные между циклами контроля, а также наиболее общая модель, основанная на предположении о том, что каждому коду в стариих разрядах соответствует соботвенный аналоговый эквивалент:

■..:■■■■.-■■■ ■ см

где ¿ -числовой эквивалент кода £ старших разрядов, A (S) * , di - погрейность формирования S -^й опорной нери.

Определены соответствующие планы тестовик экспериментов, общие виды уравнений идентификации, оценена достижимая погрешность преобразователей с автокоррекцие;й на основе этих моделей.

• Таким образом предложен комплекс алгоритмов контроля и коррек-

ции ЦАП, основанный на иерархической последовательности моделей их погрешности. Стремление достичь более точного описания ЦАП требует усложнения 'описывающей его системы уравнения и увеличения числа идентифицируемых параметров. Однако-о увеличением чиола учитываемых параметров возрастает время, затрачиваемое на проведение тестовых испытаний и решение уравнений идентификации. Кроме того результаты анализа и иммитацигшного моделирования показывают, что увеличение числа учитываемых факторов ведет к росту влияния погрешности измерения на результат контроля и коррекции. Поэтому в«5ор модели, и в • частности число корректируемых источников погрешности, осуществляв етоя так, чтобы оптимизировать соотношение методической и трансформированной погротности, о применением иммлтационного моделирования. Описывается программный комплекс для статического иымитацяонного моделирования преобразователей с авгокоррекцией. Результаты юдели-рования позволяют определять оптимальное число корректируемых параметров, определять требования к компонентам иоходя из требуемой результирующей точности.

В третьем разделе рассматриваются вопросы структурной организации ПЭД о автокдр{йкцией.Введена в рассмотрение обобщенная модель ГШ, основанная на его представлении как двухотсчетной системы, изображенная на рисунке. Здесь квантователь входной переменной -преобразо- £ йатель разиэсти входной вели- ~ чины и ее квантованного значения. Блок в схемах ЦАП и блок /з в аналого-цифровых преобразователях выполняют цифроаналоговое преобразование, а любой из атих блоков может содержать узел коррекции погрешности. Показано, что

Для компенсации погрешностей необходимо

ЪчЬ<Ьз»п, (Я)

где - моменты фиксации результата в соответствующих блоках",

1ч -Максимальный входной сигнал блока (или аналоговый эк-вавалент его выходного кода), & - поведенная погреинооть блока5ч, Лзоп- допустимая погрешность преобразования.

При выполнении перечисленных условий характеристика квантователя не влияет на функциональную характеристику 1Ш, Однако для обеспечения возможности коррекции следует выполнить еще одно условие: возможность представления суммой выходных величин грубого и точного отсчета любой аналоговой величина в заданном диапазоне с пог-реиностью не больше заданной, ото свойство называется квазинепреры-вностыз якалы преобразователя. Для формального вывода условий ква-зинепреривности шкалы введен ряд определений сформулирован и доказан ряд теорем.

Введено определение шкалы как дискретного множества проекций ступеней передаточной характеристики ГШ на ось аналоговой велйчи- '' ны, определены свойства этого множества: норма (модуль разности максимального и минимального элементов), разрыв вкалы на коде К* {^•гЭДлИ^-ЗН) , где и - элементы шкалы), понятие 6 -непрерывной икалы (то есть не содержащей разрывов, больших <5 ), Определены операции над йкалами: исключение, композиция. Если окала содержит п элементов, а якала £г-гл элементов, то их композиция содержит все Ш-П попарных сумм элементов из и 5 2 . \ * :;

Теорема I. Если ияала одного преобразователя о -непрерывна, а разрывы шкалы второго преобразователя не превынавт нормы акалы первого, то композиция этих икал 8 -непрерывна.

Теорема 2. В преобразователях код-аналог с двоичным кодированием разрывы шкал не превыааст суммы модулей ошибок разрядных веоов и веса младшего разряда.

Теорема 3. Если в преобразователе код-аналог вес некоторого I -го разряда превштет сум<}у модулей погрепнооти отараих разрядов, а икала разрядов, младших I -го, 8 -непрерывна, то композиция вкалы такого преобразователя и одноразрядного преобразователя с весом равным весу I -го разряда 6 -непрерывна.

. Таким образом для исключения разрывов результирующей вкалы в двухогсчетной структуре цифроан&логового преобразователя достаточно, чтобы вес младшего разряда ЦАП сгаряей ступени был равен весу старшего разряда младаей ступени и этот вес превосходил суммарную

погрешность старлей ступени, а абсолютная погрешность ЦАП младшей ступени не превышала заданной погрешности преобразования. По сравнению с ранее использовавшимися способами создания квазинепрерывных икал, например использованием дополнительного ЦДЛ для контроля и коррекции, использованием ЦАП с недвоичним основанием, предлагаемый способ характеризуется абсолютным минимумом дополнительного оборудования для коррекции, допускает гибкую реконфигурацию схемы в конкретных условиях, позволяет эффективно использовать стандартные преобразователи и микропроцессорные средства. Показано, что одноразрядной избыточности достаточно не только для компенсации погрешностей, если они известны, но и для их идентификации, то есть млад-пие разряды могут использоваться для контроля и коррекции стариих разрядов того же ЦАП при использовании метода Дифференциальных измерений.

Используя в качестве блоков ^ и обобщенной модели мало-ре1зрядные АЦП того или иного принципа действия, а в качестве £ д-ЦАП, получен вирокий набор двухотсчетных многоразрядных аналого-циф-роэйх преобразователей. Возможна как цифрооналоговая коррекция -то еоть включение запоминающего устройства поправок и ЦАП в блок

так и цифровая - включение запоминаюпего устройства поправок в блок Пр! этом содержимое запоминающего устройства поправок должно соответствовать соотношениям ( 2). В большинстве случаев цифровая коррекция предпочтительнее,

О позиций введенной обобщенной модели рассмотрены АЦП поразрядного кодирования, каскадные, параллельно-последовательные, следящие и время-импульоные АЦП. При атом доказано:

Теорема Пусть разряды преобразователя код-аналог ■ упорядочены таким образом, что для любого композиция одноразрядных якая *'.«*'31 б -непрерывна. Тогда поразрядное ко-

дирование а порядке убывания номеров выделит из шкалы 5г элемент, отличающийся от входной величины менее чем на 5 .

Теорема 5. Для того чтобы в шкале параллольно-пооледовательно-Го АЦП пра кодировании вьделилоя элемент» отличающийся от входной аналоговой величины менее чем на 6 необходимо и достаточно, чтобы икала преобразователя младяей ступени1'была 5-непрерывна, а ее норма пренииала сумму норм погрешностей ЦАП и АЦП стартея ступени..

Доказанные палояэнкя явились основанием для построения оамокор»

ректируючихся выоокоразрядных преобразователей с минимальной избыточностью аналогового оборудования, в которых младшая ступень обеспечивает контроль и коррекцию погрешностей старшей ступени.

Рассмотрены пути построения цифрового блока АЦПП ввода-вывода с автокоррекцией. Многообразие разбиений множества базовых функций алгоритма контроля и коррекции на два подмножества - совмещаемых во времени и выполняемых последовательно - Порождает широкий набор структур цифрового блока, отличающихся по производительности и аппаратурным затратам.

Четвертый раздел посвящен структурным методам коррекции динамических характеристик ¡Ш. Особое внимание уделено реализациям, в которых коррекция динамических погреаностей совмещена с операциями цифровой обработки сигналов. Предлагаемые методы коррекции основана на общем принципе организации грубо-точных оистем - коррекции результата преобразования грубого канала средствами точного, причем диапазон входных данных точного канала должен превиаать суммарную погрешность грубого канала. Для компенсации погрешностей предполагается введение в точный канал средств для оценки параметров и моделирования динамических процессов компонентов грубого канала»

Для компенсации погрешностей связанных с изменением входного сигнала за время преобразования (динамических погрешностей первого рода) применены перекрытие окал ступеней,.то есть организация двухоточетной системы так, что несколько старших разрядов младпей ступени имеют веса, совпадающие с младшими разрядами старшей ступени, а также предсказание изменения входногб сигнала за время менаду омежными моментами кодирования.

Показано, что при фиксированной разрядности ступеней и постоянных опектральных характеристиках входного сигнала имеется оптимальное значение величины перзкрытия, минимизирующее суммарную погрешность преобразования, Для поддержания такого оптимального соотношения необходима оценка характеристик входного сигнала, а если характеристики меняютоя - возможность периодически определять их текущие значения и соответственно корректировать значение коэффициента усиления разностного усилителя двухотсчетного преобразователя й коэффициенты передачи цифрового сумматора отсчетов грубого и точного каналов. В качестве оценки оптимальности величины перекры-

тия предложено попользовать дисперсии отсчетов на выходе точного канала.

Перекрытие икал ступеней многоотсчетных АЦП, хотя и позволяет компенсировать динамические погрешности второго рода, при сохранении разрядности АЦП второй ступени увеличивает статическую погрен-ность (в следящих АЦП параллельный АЦП трактуется как преобразователь второй ступени обобщенной модели). Одна из возможностей уменьшения необходимого перекрытия - предсказание значения входного сигнала, то еоть формирование в блоке обобщенной модели аналоговой величины близкой к входной величине в момент кодирования.

Пусть на входы блоков fo и 5з обобщенной модели ЩИ подается последовательность кодов о выходного сумматора, а в качестве этих блоков использованы цифровне нерекурсивные линейные фильтры, имеющие дискретные передаточные функции

L« I 1Г(

Тогда изображение выходного сигнала оумматора в % -области имеет вид:

; cii'Ui-al.

В отличие от традиционных дискретных фильтров, з которых обратная связь осуществляется только по цифровому каналу, здесь аналого-цифровому преобразования подвергается не весь сигнал, а лишь ошибка предсказания.

Ls I ' '

Обычно moxlUlt)l<rriasiix{t)| . При alia/ преобразование оовмэцаетоя с фильтрацией. Кроме расширения функциональных возможностей такой подход обеспечивает предсказание по оглаженному сигналу, что полезно при присутствии на входе высокочастотной помехи.

Коэффициенты передаточной функции Htf?) выбираются так, чтобы минимизировать ошибку предсказания, В качестве критерия оптимизации предсказания принят минимум среднеквадратичного отклонения предсказанного значения от истинного входного сигнала» Особениоояь предлагаемого в работе подхода к оптонизации параметров цели пред» сказания - использование для ах оценки корреляционных моментов вы» ходкого сигнала (Ц».Т):, а не входного, как ото делается традиционно»

Дело в том, что входной процесс в ПРИ непосредственно he наблюдаем*

Показано, что оптимальное сочетание коэффициентов предсказания может быть найдено решением сиотемы уравнений

V-A'-C, v'-'.'

где С-Ы; t.i>rn; +

Оценки корреляционных моментов легко выполняются средствами, встраиваемыми в.АЦПП, Таким образом реализуются адаптивные алгоритмы предсказания. Адоптивное предсказание в сочетании о адаптивным управлением перекрытиями позволяет существенно снизить динамические погрешности второго рода в двухотсчетных П$И.

Анализ обобщенной модели ЯШ с коррекцией гоказывает основные возможности коррекции динамических погрешностей первого рода: блоки коррекции динамической Погрешности можно включать в блоки j g или ^ дтак чтобы обеспечить . Основное внимание в работе

уделено коррекции погрешностей, вносимых.инерционностью ЦАП в оле-дящих и параллельно-последовательных АЦП. Показано, что в рассматриваемых приложениях достаточно больяой эффект достигается даже при использовании грубых моделей динамики ЦАП, Практически использовалась прюстедаая к«одедь — фиксатор и линейное звено с передаточной функцией второго порядка, а дискретной форме

НШ-Е А4ГЧАо, ■

С»!

где т-^т ' М'(-*)т

Ap-kWcit; At-i ■ иЩ;.','.

: , . в ■ . .. ■ т>(т)- импульсная характеристика непрерывной части ЦАП, Т- период

квантования, ¿Т - задержка подачи кода на ЦДЛ'относительно предыдущего момента кодирования.

Компенсация Нцап(2) возможна как путем последовательного включения дискретного фильтра, так и за счет прибавления к выходному коду. Наиболее привлекательно выглядит совместное использование фильтрации, предсказания и компенсации динамических .погрешностей ЦАП, Подключив к выходу обобщенной модели 1\Ш нерекурсивный фильтр HroppiZ) » полагая Нг(х) « Нц*п(Z)* Н*р«д {2) , имеем выражение передаточной функции АЦП, из которой очевидны пути и; возможности

- 21- ■ -•горрекции дннамичеоких погреяностей

Н(1) = Нко?Р(Х)Н♦Нцл1.(2) Нпрей(Х) (

Показано, что определение параметров ЦАП о пятипроцентной погр_евностью обеспечивает раезирение полосы пропускания при том же уровне векторной погрешности в Ю раз. Дальнейшее снижение динами- . ческой погрешности может достигаться при оперативном определении динамических параметров ЦАП в процессе эксплуатации.

Особенностью процесса идентификации динамических параметров ЦАП » составе двухотсчетного ПФИ являемся то, что измерения выполняются с помощью аппаратуры, статические и динамические погреи-ностй которой сравнимы с погрешностью контролируемого узла. Необходимо использовать число контрольных измерений существенно большее числа идентифицируемых параметров. Результат измерения не отражает точно значение выходного сигнала контролируемого ЦАП в фиксированный момент времени. Имеется погреяность квантования измерителя и апертурная неопределенность отсчета. Иными словами каждое измерение по роддает набор из четырех неравенств, ограничивающих область допустимых значений,:Разработан алгоритм реиения системы нелинейных неравенств. Зкспе{«ментально подтверждена возможность идентификации параметров модели ЦДЛ с го греяностьа: 0,5-1,0%, что обеспечивает! повыаение частоты выборок впреобразователях.

В пятом разделе рассматриваются вопросы реализации в аналого-цифровых процессорах наиболее распространенных задач вычислительной обработки непрерывной информации. Основное внимание при этом уделяется на разработке новых средства структур, а выделений реализаций,' подобных по структуре, выполняемым функциям и используемым воштонентай преобразователям информации о автоматической коррекцией погрзднооти, Зто является предпосылкой эыполнения всех этих задач в рамках программируемого АЦШ1. Выполнена декомпозиция типовых задач обработки непрерывной информации с цельэ их последующего переноса на многофункциональную структуру в рамках общей задачи синтеза АЦШ1. '

Среди общих подходов к реализации в рамках АЦПЛ вычислительных прзойраэоваций выделены: грубо-точная организация преобразователя; использование сходных базовых функций алгоритмов и соответствующей элементной базы - элементы эадержкии уипожаюеиз ЦАПг поолвдоватзль-

ная, в том числе итерационная, организация вычислений.

Используя в качестве блока обобщенной модели малоразрядный табличный функциональный преобразователь и дополнив блок умножителем разностного сигнала на таблично заданную функцию от ,по- , лучин широкий набор кусочно-линейных функциональных преобразователей одной переменной. Подходы к компенсации погрешностей линейных и кусочно-линейных преобразователей совпадают, но выявлен ряд особенностей. Из-за наличия погрешностей квантования старлей ступени и динамических погрешностей второго рода возможна выборка из ЗУ таблиц коэффициентов значений коэффициентов не того участка, к которому принадлежит текущее значения аргумента, а соседних участков аппроксимации. Определены особенности решения задачи апп-рокоимации с учетом этих аффектов. Во многих вариантах хуссчно-ди-нейных ПФИ преобразователь младшей ступени преобразует произведение произведение разности аргумента м аналогового »квивалента старших разрядов. Это обстоятельство изменяет подход к выбору нормы шкалы преобразователя младшей ступени и математические соотношения для определения поправок, корректирующих погрешности компонентов старшей ступени, В целом кусочно-линейные П$И содержат:тот же состав оборудования, что и линейные и не уступают им по точности и быстродействию, что делает их весьма перспективными для сиотем обработки непрерывной информации. ■

Включение в ПФИ средств хранения аналоговых результатов и, в частности, аналоговых регистров сдвига, позволяет при умеренных затратах производитьсамую различную предварительную обработку, В работе особенно вцделены многомерные кусочно-линейные аппрокои-маторы, итеративные дробно-рациональные апароксиматоры, дискретно-аналоговые реализации фильтров и операций свертки сигнала.

Рассмотрены возможности реализации в рамках АЩ1Л управляемых аналоговых фильтров и генераторов функций времени. В связи с тем, что в современной микроэлектронике отсутствуют компактные и точные реализации управляемых пассивных двухполюсников с двумя неза-земленными выходами, наиболее приемлемым путем построения управляемых динамических звеньев представляется моделирование передаточных функций на основе интегрирующих усилителей и умножающих ЦАП в качестве управляемых элементов. Анализируются погрешности, вносимые паразитными динамическими параметрами ЦАП, определяются

граничения на допустимую добротность звеньев фильтра, допустимый временной интервал генерации непрерывного оигнала. По истечении отого интервала необходимо коррекция процесса вводом соответствующих начальных условий для очередного интервала.

Особенность вычислительных ПФИ, таких как дробно-рациональннз аппроксиматоры, цифроаналоговые фильтры - большое число источников погрешности и сложный характер их влияния на результат преобразования, что затрудняет использование для повышения точности методов, основанных на коррекции первичных погрешностей. Задача может решаться с использованием алгоритмической или структурной избыточности и сводится к поиску сочетания параметров вычислительного блока £о , минимизирующего многомерный интеграл от выра-

жения [А(х)-Р(х, Сг, — , £п)] г по области, ограниченной гиперплоскостями Х'±ти.х^хта«; Ескн'Д^', ; ¿--/Г" где

X - аргумент характеристики, А(-> , р() - требуемая характеристика и характеристика вычислительного преобразователя (функциональная, амплитудно-частотная или иная), ¿¿ц - номинальное значение параметра, а ¿¡. - погрешность его задания.

Шестой раздел посвяцен разработке автоматизированных средств синтеза оистем предварительной обработки непрерывной информации на системном, модульном и функционально-логическом уровнях. На основании анализа известных методов структурного синтеза, уровня сложности задач, решаемых на каждом этапе показывается, что на различных уровнях детализации целесообразно применение различных алгоритмов поиска оптимальных решений: случайный поиск на уровне, системного анализа и синтеза, дополняемый методами дискретного математического программирования при анализе сгенерированной структуры; логикокомбинаторный подход на отапе выбора узлов процессора ввода-вывода; формальные преобразования на этапе синтеза операционной части АЦПП. Введено формальное описание компонентов, целевых функций и ограничений на каждом этапе и созданы алгоритмы, учитывающие специфику распределенных оистем обработки информации, преде- • тавленной в смешанной форме. В целом это составило маяинно-ориенти-рованнув методику синтеза распределенных аналого-цифровых систем.

На системном уровне любая многоканальная отруктура представляется точкой в пространстве отруктурных переменных, координатами которой являются число каналов г> , погрешность и время прзобразова-

ния в каждом канале и , Причем каждому сочетанию А ¡г Ь соответствует оптималшая внутренняя структура блока ввода-вывода из числа зафиксированных в библиотеке конкурентоспособных отруктур. Можно ввести дополнительную структурную переменную, отражающую локализацию используемой памяти, способ обмена и другие свойства. Такой переменной может быть порядковый номер варианта реализации.

Для синтеза применен" алгоритм, заключающийся в перемещении нескольких точек в пространстве поиска за счет формирования случайных приращений структурных переменных для каждой точки. При этом используются эвристически введенные правила оценки количества и выбора типов варьируемых на каждом шаге структурных переменных в зависимости от полученного на предыдущем иаге эффекта. Кроме того на как-дом шаге случайным образом генерируется несколько, дополнительных точек, в окрестностях которых также выполняется несколько шагов по-иока. Если эти точки дают лучшие оценки показателя качества, то на следующем шаге ими заменяются худшие из основных точек. Каждая новая структура проверяется но выппкение ограничения. Поиск заканчивается, если на нескольких шагах наилучшая по всём точкам оценка показателя Качества изменится не более чем на заданную го грешность поиска.

Новая Структура считается допустимой, если выполняются ограничения на время выполнений каждой из задач решаемых в системе при их их оптимальном распределении мевду элементами новой структуры. Такое распределение само по себе является задачей оптимального синтеза. Предполагается, что в системе запросы на ввод-вывод и иное использование случайны, задача анализа структуры ставится в терминах теории массового обслуживания й формулируется следующим образом:

Пусть заданы матрицы , , = , ,

4 « ( Су'.-, и стоимость назначения, время преобразования и погрешность при назначении .¿-й задачи в I -й канал), и векторы Т0«[Ц}, $={(*•} , ИММ . Р-{Р^} , (Ь/,^ и^

допустимое время обслуживания, погрешность реализации и интенсивность запросов на ввод-вывод ¡,-й задачи,а р^- -ее приоритет. Вводится матрица X * С3^} , где при Назначений ¿-й задачи в I -и канал и. Хц »0 в остальных случаях. Найти сочетание:^, минимизирующее целевую функцию

п

при привязке каждой задачи только к одному каналу ( Z для

воех л , ограничениях на допустимую погрешность преобразования СЦ-ЧоЦ. ) и время обслуживания каждой задачи.

Разработан алгоритм оптимального распределения с применением последовательного синтеза (частный случай метода ветвей и границ), использующий назначение очередной задаем из описка (в порядке убывания сложности) в каналы, у которых к моменту назначения имеется достаточный для реализации этой задачи ресурс.

При синтезе на модульном уровне детализация задачи осуществля-. етея до уровня .базовых функций алгоритма. Считаеюя, ч*?о состав необходимых операций алгоритмов обработки информации в наборе решаеы-них зедач известен, осуществляется поиск состава компонентов (ф-элвнеитов) - исполниталей БМ, который позволит рошать каждую задачу при налокзнных ограничениях о минимальными затратами, Представле-ияв какдого варианта отруктуры набором ф-эяенентоа поззоляе? перейти к представлению множества альтернативных реаения с помочь» ха-.рактеристичёоаих булевых.функция 0'Б5), 3 записи ХБФ коньанкция идентификаторов'ф-элементоз представляет их. ссвмзсгкое ислольэоаа-нйе в составе некоторой структуры, а д»зьвккция определяет альтернативное использование ф-эленентов или-'их. коньвнктйвных блоков, элемент' представляется булевой переменной' .', принимеацёз айачеиие "I" тогда и только тогда, когда он входит в оостав структуры, Лзбая Б#А, которая может быть реализована любым ¡элементом иэ набора ¿,5, ..., %(.. прздставляетая э виде дизъюнкции %г, ХБ§,

определяющая все множество вариантов построения структур получается выполнением формальной композицией БМ, входящих в алгоритм, и выражается через их конъюнкцию.

Б разработанном для рассматриваемого этапа синтеза программном комплексе формирование. выполняется автоматически. От пользователя не требуется знания возможных исполнителей каждой В&А - это данные априорно заложены в библиотеку типовых операций. Он должен задать лишь со отав ь*>а, входящих з тгорищи рэшэвия класса задвч, на которые оприентирован разрабатываемый' блоя.

Любая простая импликанта, получаемая раскрытием скобок исходной формы ХБФ представляет допустимый вариант структуру» Если раскрытие

скобок выполнять по определенным правилам, автоматически выделяются репения, удовлетворяющие определенным требованиям.

Например, известно, что решение, обеспечивающее минимизацию аддитивного критерия будет получено, если при раскрытии Z го вложения скобочного выражения каждая дизъюнктивная подформула с£г заменяется на

где

. . Bí-ь-Uteвс* 1Рс8¿*) ^mtnimt^pfg), nú^PteW ; lK*[Zi£Zíx\NZ*)*min(rnin p(z),minp(tt)},

11 * VCZit ge Sí*

a Br-Í®»-'1} HÍ'ícíitJ-множества конъюнктивных и дизыонктивных подформул очередного уровня вложения, р- вес подформулы (стоимость частичной реализации).

В ряде случаев необходимо (или возможно) чтобы ряд операций выполнялись с помощью одного и того же элемента. О точки зрения принятого способа описания и выделения решений это означает, что кавдое решение должно представляться импликантой первого порядка, то есть ХБФ приводят к особенной скобочной нормальной форме. Разработан и реализован алгоритм приведения ХБ# к CCKHí>, основанный на разложении Иеннона и позволяющий выявлять только такие реализации.

Логическая обработка ХБ£ и ее промежуточных форм позволяет также выявлять условия согласования формы представления информации на связях, выделять решения допустимые по этому критерию или автоматически вводить промежуточные П;1>И в связи, где согласование нарушается, вводить запреты на совместное использование некоторых комбинаций ф-элементов или требования обязательного присутствия каких-либо сочетаний.

Выделение вариантов, удовлетворяющих временным ограничениям требует оценки времени выполнения соответствующих операций во всех возможных путях распространения данных со входа на вькод .устройства, причем за оценку быстродействия принимается максимальное время выполнения операция по всей информационным путям, определяемое как сумма времен, выполнения операций, входящих в конкретный путь. При поиске по временным ограничениям используются такие же алго-

ритмы, что и писке решений по аддитивным критериям. Меняется лишь исходная скобочная форма ХБ5: она отроится так, чтобы не только перечислить возможные операции, но и отразить множество связей между их исполнителей. В основу алгоритма построения ХБ5, определяющих множество информационных путей в структуре положена логика алетических модальностей.

Исходная алгоритмическая представляется совокупностью соотно-

иений

Zi «о Zijixi i ; 4 V Xi ,

■ieаСц

где знак ~ определяет активизированные элементы, S - множество связей в структуре,множество связей входа ф-элемента Zi , выходами других элементов, ¿Czi - множество связей выхода ф-элемен-та.

Соотношения определяют, что .из активизации элемента Zi следует необходимость его наличия в структуре, возможно наличие выходной связи «С*; и обязательно подключение по входу о другими элементами структуры, а из активизации связи следует, что хотя бы один элемент с выхода которого она получена активизирован.

Разработан алгоритм формирования скобочных форм Х&2> по исходной алгоритмической модели, прздусматривающий просмотр преобразуемого выражения и преобразование его частей по правилам модальной логики и приводящий к построению форм, допускающих выделение структур,-удовлетворяющих временным органичениям.

Разработанные алгоритмы явились основой программного комплекса для структурного проектирования систем обработки непрерывной информации.' Приведенные в приложениях примеры его использования показывают возможность построения о его применение^ нетривиальных высокоэффективных структур аналого-цифровых сиотем.

Этап функционально-логического проектирования основан на проведенной на предыдущих этапах декомпозиции алгоритма функционирования процессора: выделении БФА и их исполнителей на макроуровне, распределении БФА.кд подмножества n'$gr причем вшолнвния Б$А первого подмножества можно совмещать во времени, а Б5А второго выполняются существенно последовательно. После выполнения этого этапа создается функциональная охема АЦПП и уточняются показатели качеотва проектируемой системы.

Аппарат синтеза операционных устройств базируется не концепции микропрограммирования и представления устройства в ввде двух автоматов: операционного и управляющего. Оптимальный синтез операционного автомата основан на склеивании алгоритмов, реализующих базовые функции, Для формализации задачи склеивания целесообразно части алгоритма предотавитьв одном языке. Для описания функционирования гибридных процессоров был выбран "Язык функционального ш-кропрограммирования" (Ф-язык), Введено расширение Ф-языка, представляющее операции над аналоговыми величинами: дополнительная информационная единица - отсчет аналогового сигнала, оператор аналогового присваивания, махрооперации сравнения, преобразования формы информации.

Разработана методика синтеза операционного блока гибридного процессора, предусматривающая как н известные методики описание микропрограмм в принятом языке, переход от функциональных микропрограмм отдельных Б3>А к операционным автоматам, их реализующим, выделение функционально совместимых операторов и объединение операционных автоматов. Отличие стой методики от известных состоит в описании фрагментов алгоритма (как аналоговых, так И цифровых преобразований) в одном языке, учете различия форм представления информации при анализе на функциональную совместимость и выделении классов эквивалентности микроопераций и операндов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ■■■ ■

В диссертации сформулированы и обоснованы положения, в совокупности воставляющйе теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы с важным народно-хозяйственным значением: развитие теории, создание на ее основе методов проектирования и способов реализации аналого-цифровых процессоров ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной информации, ориентированных на повышение точности ввода-вывода и многофункциональное использование.

Главный вывод работы состоит в том, что применение для обработки непрерывной информации различных средств - цифровых и аналоговых, аппаратных и программных - позволяет строить высоко аффективные системы, Предназначенные для управления и научных исследований. При реализации. АШШ и системы в целом особое внимание должно уделяться

выбору исполнителей Фрагментов алгоритма и оптимизация распределения задачи меяду исполнителями.

Основные результаты работы состоят в следующем:

I. Определены облаоти эффективного использования и принципы организации аналого-цифровых процессоров ввода-вывода и предварительной обработки непрерывной информации.

2. Сформулирован общий подход к созданию средств самоконтроля и самокоррекции преобразователей формы информации, послуживший основой для построения эффективных способов повиления точности, надежности и производительности ЛЦШТ.

3. Развита теория дискретных икал, и на основе новых положений определены требования к компонентам самокорректирующихся ГШ.

Разработано алгоритмическое обеспечение основных этапов синтеза систем со смешанным представлением информации.

5. Результаты работы явились основой для создания высокоэффективных устройств и систем обработки непрерывной информации, характеризующиеся не достигавшимися ранее в их классах сочетаниями параметров. Разработаны и внедрены ЛЦП и ЦАП с приведенной погреи-иостью 0,001$ с временем преобразования несколько сот микросекунд, быстродействующий АЦП (2 мкс/IЦ-бит), набор вычислителшых преобразователей формы информация, а также ряд комплексных систем ввода-вывода н предварительной обработки непрерывной инфор<ешии.

ПУБЛИКАЦИИ-ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I.. Время-импульсные вычислительные устройства /А.Б.Артамонов, И.В.Герасимов, АД.Муроаев и др.; Дод ред, В.Б.Смояова и Е.П.Уг-рэмова. - М.: Радио и связь, 1983.-228 о.

2. Грушвицкий Р,И., Мурсаев А,Х., Смолов В.Б, Аналого-цифровые периферийные устройства микропроцессорных систем,-Л.: Знэргоатомиз-дат, 1989. - 160 с.

3, Микроэлектронныа цифроаналогоаые и аналого-цифровые преобразователи информации/ В.Б.Смолоа, Е.П.Угромов, В»К.Ямидт и др.; Под ред, В.Б,Смолова^ - JI.: Энергия^ 1976. - гл, 3; Устройства выборки и запоминания аналоговых сигналов. - С?. 114-121.

Автоматизация проектирования структурных элементов 3BMt Учеб.

пособие/ И.З.Герасимов,. А.Х.Мурсаев, С.В.Родионов, А.О.Тимофеев; под ред. Е.П.Угрюмова, -ЛЭТИ. - JI.,1984. - 81 с.

5. Мурсаев А.Х. Построение типовых дискретных устройств на СИС и их моделирование на ЭВМ. - Новгород, 1984. - 82 с.

6. Мурсаев А.Х..Смолов В.Б., Угрюмов Е.П. Точные кличи, операционные усилители и устройства запоминания напряжения на канальных транзисторах. - Л. : ЛДНШ, 1973,- 30 с.

7. Автономные микропроцессорные контроллеры для управления физическим, экспериментом/ А.Б.Артамонов, Л.К.Головина, А.Х.Мурсаев и др.// Изв.Вузов, Приборостроение. - 1983. - S 9. - С. 61-67.

8. Воротов А.А., Могнонов П.Б., Мурсаев А.Х. Двухотсчетные преобразователи формы информации/ ЛЭТИ, - Л., 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 05.06. 86, № «21 - 386.

9. Грушвицкий Р.И., Манчев Б.А., Мурсаев А.Х. Метод контроля каналов преобразования в аналогоцифровых системах с встроенным микропроцессором // Цифровая измерительная техника: межвуэ. сб.науч. трудов. - Пенза, политехи, йн-т., I984.-C.73-77.

Ю. Грушвицкий Р.И., Манчев Б.А., Мурсаев А.Х. Улучшенный контур аналоговой коррекции погрешности // Изв. Вузов., Приборостроение.-№ 7, - 1983. - С. 42-45»

11. Интегральный многофункциональный преобразователь/ В.М.Меиенков,

A.Х.Мурсаев, В.К.Осетинский, В.А.Христолюбов // Приборы и системы управления, - i960. - ii 4. - С. 34-35.

12. Модифицированный алгоритм автокоррекции ЦАЛ и его реализация/

B.Б.Смолов, А.Х.Мурсаев, А.А.Воротов, П.Б.Могнонов//Гибридные вычислительные малины и комплексы: -сб.науч. трудов,- Киев: Наук.дум-ка, 1987. -Вып. 10. - С.52-56.

13. Мурсаев А.Х. Аналоговый регистр сдвига// Отбор и передача информации: метквед, сб.науч.трудов. - Львов: Изд-во АН УОСР. - Вып. 46. - С. 21-26.

14. Мурсаев А.Х. Двукратное использование сравнивающего усилителя для повышения точности АЦП/ Поборы и техника эксперимента. - 1974.» 5. - С.70-71.

15. Мурсаев А.Х. Фиксаторы напряжений для аналоговых устройств в математическими развертывающими системами// Развертывающие системы: сб.трудов; Под ред. В.Л.Славинского. - М.:3нергия, 1976.-СЛ44-150.

16. Муроаев А.Х., Груивицкий Р.И., Шилов 0.3. Параллельно-последовательные линейные и функциональные АЦП с автокоррзкцией погрешности // Цифровая информационно-измерительная техника: межвуз. cd науч. трудов. - Пенза: Ленз.политехн. ин-т., 1988. -С. 123—131.

17. Муроаев А.Х., Коротин М.И., Шилов О.В. Цифровая фильтрация о адаптивным предсказанием входного сигнала // Системы цифровой обработки сигналов: материалы семинара. - Д.: ЛДНТЛ, 1988.-С. 19-23.

18. Муроаев А.Х., Смолов 3.Б., Угрюмоз Е.Л. Методы и средства гю-вышения быстродействия время-импульсных устройств с усреднением ииротно-модулированных импульсов// Электронное моделирование. -1980. - » 5. - С. 50-59.

19. Муроаев А.X,, Смолов В.Б., Угромов Е.Л. Прецизионное быстродействующее множительно-делительное устройотво// Автометрия. - 1975,» 4. - С. 67-71.

20. Муроаев А.Х., Шипов О.В, Логикокомбинатор1ый подход к синтезу гибридных вцчиолительных устройств/ ЛЭЭД, Л». 1988,-И о.-Деп. в ВИНИТИ 03.03.88. - №1753-389.

'21. О методах построения функциональных преобразователей о ликеяно-управляемцми параметрами /М.С.Байков, И.3,Герасимов, А.Х.Мурсаев и др.// Электроника и моделирование, - Киев: Наук,думка, 1977, -вып.. 16. - С. 34-41.

22. Воротов А,А., Могнонов П.Б., Муроаев А.Х, Каналы ввода-вывода с азтокоррекцией для микро ЗЗМ// Проблемы создания феобразователед формы информации: тез.докл. 5 Всеоопз.симп.-Киев, 1984,-Т.2.- СЛ38. 23» Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Смолов В.Б. Методы контроля и коррекции преобразователей формы информации// Проблемы ооэдашя преобразователей формы информации: тез.докл. б Всеоояз.оимп. -Киев, 1988. - С.208-209.

24. йоточники взаимного влияния разрядов сеточных ЦАЛ и их идентификация/ В.И.Грушвицкий, А.Х.Муроаев, В.Б.Смолоз, Б.А.Манчев// Методы и иикреэлеатронные оредства цифрового преобразования и обработай оигаалов: тез.докл. Всесоюз.конф. - Рига, 1986. - Ч.1,-С.48,

26. A.c. № 394854 СССР МКИ G Обо 27/00. Аналоговый рсгастр сдвига/ А.X,Мурсаев. - Опубл. БИ )Ь 34.-1973.

27. A.c. й 809547 СССР МКИ НОЗк 13/20,'Цифроаналоговый преобразователь/ Р.И.Груивицкий, А.Х.Муроаев, В.Б,Смолов,- Опубл. БИ И 8,1981.

28. A.b. » 809549 СОЗР МКИ НОЗк 13/03. Цйфроаналоговый преобразователь о автоматической коррекцией нелинейности/ Р.И.Грушвицкий, А.Х.Мурсазв, В.Б.Смолов. - Опубл. БИ № 8.-I98I.

29. A.c. $ 922795 СШР МКИ Об 7/26. Функциональный преобразователь/ А.Х.Мурсаев,- Опубл. БИ * 15. - 1982,

30. A.c. Л 930051 ООСР ККЙ НОЗк 13/02,. Цйфроаналоговый преобразователь с автоматической коррекцией нелинейности/ Р.И.Грушвицкий* А.Х.Мурсаев, Б.А.Манчев. Опубл. БИ & 19. - J982.

31. A.b. $ 942258 ССОР МКИ НОЗк 13/02. Цйфроаналоговый преобразователь/ Р.И.Груавицкйй, A.X.MypaäsB* - Опубл. БИ )6 25.-. 1982.

32. А.о. № 1075399 ССОР МКИ НОЗк 13/02. Аналогоцифровой преобразователь / Р.И.Грушвицкий, А.Х.Нуроаев. - Опубл. БИ № 7, - 1984.

33. А.О. Й Ю08900 СССР МКИ НОЗк 13/02. Преобразователь код-аналог /Е.П.Угрвмов, А.Х.Мурсаев, Ю.А.Добрынин. Опубл. БИ Ü 12. - 1983»

34. А.о. » 1287290 СОЗР МКИ НОЗп 1/66, ЦифрЬаналоговый преобразователь автоматической коррекцией нелинейности/ Р.И.Групвицкий, П.Б.Мохнонов, А.Х.Мурсаев. - Опубл* БМ № Л, - 1987,,

35. А, с. Гг 1302435 Ö0CP МКИ НЬЗм l/бб* "цифроанеиоговьй прзобразо-ватель с автоматической коррекцией нелинеййорти/ А.А.ВоротоВ« Р.И. Групвицкий, А.Х.Мурсаев, В.Б.Смолов. - Опубл. БИ К II* 1987.

36. A.ti, Ш 1305851 CÖ3P МИМ ИОЗт 1/34, l/Ю. Параллельно-последовательный аналого-цифровой преобразователь/ .А.А.Воротоз, Р.И,Грушвиц-кий, А.Х.Мурсаев И др; - Опубл. БЙ $ 15. - 1987* . .

37. A.C. № 1325694 СССР МКИ Н03л 1/10. Способ калибровки линейности цифроаналогового преобразователя/ Р.И.Груивицкйй» АД.Муроа-ев, В.Б.Смояов, Б.А.Манчев. - Опубл. БИ Ш 27. - 1987.

38. А.6. % 1325697 GOCP MKM H03«n I/I4. Устройство аналого-цифрового преобразования/ А.Х.Муроаев, О.В.Шииов, -Опубл. БИ й 27,-1987,

39. А.о. й 1387022 СССР ИКЙ Об 7/26. ¿'ункционалшый преобразователь нескольких переменных/ 0,В,Гришков4 В>М.11ааенков, А.Х.Мурсаев и др. - Опубл. БЙ Д 13. - 1988.

40. А.о. 1451856 ОХР МКЙ H03m l/14, Аналого-цифровой преобразователь/ А.Х.Мурсаев, М.Й.Корйтин* О.В.Ишов. — Опубл^ БИ Js 2.1989.

Подп.- к печ. '0ЭЛМ9. M-J27205 Формат 60x84 l/K.

Офоо?иа« печень» Пеп.я» 2,0; 2,0»

Тараа ТОО акз» Закг J>.34l Весплатцо

PbTßnjpSSB« ЗЙТЙ T9703¡V Явнинград» ул» Проф. Попова, 5