автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование кодоуправляемых резистивных делителей напряжения в кодах с иррациональными основаниями

ВВЕДЕНИЕ.

I. КОДОУПРАВЛЯЕМЬЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В КОДАХ С ИРРАЦИОНАЛЬНЫМИ ОСНОВАНИЯМИ.

1.1. Системы счисления с иррациональными основаниями.

1.2. Лестничные КУДН в кодах с иррациональными основаниями

1.3. Кодоуправляемые делители напряжения в коде "золотой"

I-пропорции.

1.3Л. Весовые КУДН в КЗП1.

К3.2. Лестничные КУДН в КЗП1.

1.3.3. Комбинированные КУДН в КЗП1.

1.4. Исследование погрешности лестничного КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

1.4.1. Исследование погрешности лестничного КУДН в

КЗП1 при единичном параметрическом отказе.

1.4.2. Исследование погрешности КУДН в КЗП1 при параметрической деформации весов разрядов.

1.5. Выводы.

Г1. ПОСТРОЕНИЕ САМОКОНТРШИРУЮЩИХСЯ И САМОПОВЕРЯЮЩИХСЯ КОДОУПРАВЛЯЕМЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ В КОДЕ "ЗОЛОТОЙ" 1-ПРОПОРЦИИ.

2.1. Обзор методов и средств контроля линейности выходной характеристики КУДН.

2.2. Контроль линейности выходной характеристики КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

2.2.1. Оперативный контроль катастрофических отказов в КУДН.

2.2.2. Структурная схема самоконтролирующегося КУДН в КЗП1.

2.2.3. Контроль параметрических отказов КУДН при их изготовлении.

2.2.4. Контроль параметрических отказов КУДН в условиях их эксплуатации.

2.3. Определение поправок нелинейности выходной характеристики КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

2.3.1. Обзор методов поверки линейности выходной характеристики КУДН.

2.3.2. Способ поверки нелинейности выходной характеристики КУДД в КЗП1.

2.3.3. Структурная схема для поверки КУДН в КЗП1.

2.3.4. Поверка КУДН в КЗП1 с помощью одного источника эталонного напряжения.

2.3.5. Структурная схема КУДН в КЗП1 с использованием одного эталона.

2.4. Построение самоповеряющихся КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

2.4.1. Самоповеряющийся КУДН в КЗП1.

2.4.2. Структурная схема самоповеряющегося КУДН в КЗП1.

2.4.3. Самоповеряющийся КУДН в КЗП1 с косвенным методом измерения отклонения.

2.4.4. Структурная схема самоповеряющегося КУДН в КЗП с косвенным методом измерения отклонения.

2.5. Выводы.

Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КУДН В КОДЕ "ЗОЛОТОЙ" 1-ПРОПОРЦИИ С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ.

2.6. Обзор методов и средств повышения точности линейности выходной характеристики КУДН.

3.2. Высокоточная настройка линейности выходной характеристики дискретного КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

3.2.1. Способ высокоточной настройки дискретного КУДН в

КЗП1.

3.2.2. Структурная схема для настройки дискретного КУДН в КЗП1.

3.3. Аналоговое усреднение параметрической погрешности

КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

3.3.1. Способ аналогового усреднения погрешности КУДН в КЗП1.

3.3.2. Структурная схема для аналогового усреднения погрешности КУДН в КЗП1.

3.4. Цифровая коррекция линейности выходной характеристики КУДН в КЗП1.

3.4.1. Способ цифровой коррекции линейности выходной характеристики КУДН в КЗП1.

3.4.2. Структурная схема самокорректирующегося КУДН в

КЗП1.

3.5. Кодоуправляемый делитель напряжения в КЗП1 с повышенной метрологической стабильностью линейности выходной характеристики.

3.5.1. Способ цифровой коррекции КУДН в КЗП1 с повышенной. стабильностью линейности выходной характеристики.

3.5.2. Структурная схема КУДН в КЗП1 с последовательной цифровой коррекцией.

3.6. Выводы.

1У. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КУДН В КОДЕ "ЗОЛОТОЙ"

1-ПРОПОРЦИИ.

4.1. Контрольно-поверочная установка на базе КУДН в КЗП1.

4.2. Гибридная микросхема КУДН в КЗП1.

4.3. Выводы.

ЗАКЛШЕНИЕ.

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года,принятых на ХХУ1 съезде КПСС [ 11 , в качестве важнейших путей обеспечения роста эффективности производства отмечается:"Опережающими темпами развивать производство быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним, электронных устройств регулирования и телемеханики ." .

При создании управляющих вычислительных машин и информационно-измерительных систем одной из актуальных проблем является разработка и изготовление высокоточных, метрологически стабильных, высоконадежных преобразователей формы информации (ШИ). Преобразование цифровой величины в эквивалент электрического напряжения возможно с помощью кодоуправляемых делителей напряжения (КУДН) [17-20,32,33,35,38,39,47] . С бурным ростом научно-технического прогресса в области аналого-цифрового (АЦ) и цифро-аналогового СЦА.) преобразования сфера применения КУДН будет значительно расширена, поскольку будет использован принцип цифровой передачи и регистрации аналоговых сигналов. Как показано в работах [33,41,51,53] , в скором будущем КУДН будут использовать как самостоятельный элемент при передаче телефонных сообщений, цифровом теле-радиовещании, при цифровой записи и воспроизведении звука и сигналов, в аппаратуре для медицинских и биологических исследований.

Однако по мере повышения требований к метрологическим характеристикам КУДН, изготавливаемым на основе гибридной и интегральной технологии, каждое новое достижение дается все труднее по мере того, как изготовители приближаются к уровню 12 разрядов и про двигаются дальше. Начинают играть роль такие ограничения,как стабильность матрицы резисторов преобразователя и опорного источника [33,55 ] .

Как подчеркивает один из крупных американских специалистов в области ШИ Роджер Аллен в специальном обзоре,"даже самые сложные гибридные разработки не могут показать,по крайней мере пока, точности, действительно соответствующей 12-разрядному аналого-цифровому преобразователю(АЦП)в рабочем диапазоне температур преобразования в течение всего срока службы" [ 55 ] .

Для улучшения точностных показателей в ряде случаев разработчиками используется структурно-кибернетический метод, сочетающий в себе цифровую обработку информации и определенное значение технологической точности изготовления аналоговых узлов[5, 6,36,60,83,84] . Однако использование в данных КУДН двоичной системы счисления приводит к малой эффективности вследствие того, что возникает необходимость в высокоточном вспомогательном контрольно-поверочном оборудовании. Как правило,таким системам присущи такие факторы, как более высокая стоимость,большие массо-габаритные и эксплуатационные показатели.

В последние годы значительное внимание уделялось новому направлению, связанному с использованием избыточного кодирования информации в ШИ [ 61,69 ] .

Как подчеркивается в работе [69] ,".при создании аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей избыточные коды широкого распространения не получили. Это обусловлено двумя принципиальными особенностями аналого-цифрового и цифро-аналогового каналов по сравнению с традиционным цифровым каналом: во-первых,для цифрового канала характерна однородность формы представления входной и выходной информации,причем код посту

- b.йающий на кодирующее устройство, известен перед началом кодирования и из него по определенным правилам формируется избыточный код. В аналого-цифровом и цифро-аналоговом каналах формы представления входной и выходной информации АЦП и ЦАП принципиально разнородны. В АЦП исходное сообщение является непрерывной величиной, причем значение этой величины перед началом кодирования неизвестно. Задача АЦП состоит в том, чтобы раскрыть эту неопределенность, т.е. превратить неизвестное значение величины в известный код. Поэтому при первом рассмотрении возникает естественное сомнение в правомерности применения к АЦП идеи избыточного кодирования, так как неясен способ, позволяющий выделять разрешенные и запрещенные кодовые комбинации в процессе аналого-цифрового преобразования величины, значение которой неизвестно. Еще сомнительнее,на первый взгляд, представляется применение идеи избыточного кодирования к ЦАП, ибо в данном случае в непрерывной форме представлена выходная информация; во-вторых, для цифрового канала безразлично, является поступающая в него кодовая комбинация изображением числа или кодовым представлением буквенного символа, тогда как принцип действия АЦП и ЦАП полностью определяется способом представления, кодирования числа, т.е. системой счисления, применяемой в этих преобразователях.

Отсюда тесная связь методов введения в АЦП и ЦАП кодовой избыточности с развитием теории избыточных систем счисления".

В работах А.П.Стахова были разработаны основы алгоритмической теории измерения [ 62-70 J , в которых были синтезированы избыточные позиционные системы счисления и избыточные измерительные коды, предназначенные для использования в АЦП и ЦАП.

К классу кодов с иррациональными основаниями относятся две кодовые системы: р-коды Фибоначчи, в которых веса разрядов являются обобщенными числами Фибоначчи.или р-числами Фибоначчи [ 6268] , и код "золотой" р-пропорции, в котором веса разрядов являются степенями обобщенной "золотой" пропорции или "золотой" р-пропорции [ 69,70 ] .

Особенностью р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции является то, что их основанием являются специальные иррациональные числа 1,618,.;1,465, заполняюпще промежуточное положение между числами 2 и I.

Указанное научное направление возникло в 1974 году и в настоящее время успешно развивается на кафедре вычислительной техники Винницкого политехнического института по следующим основным направлениям:

1. Применение р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции для создания самоконтролирующихся цифровых устройств обработки информации [63-65,70 ] .

2. Применение р-кодов Фибоначчи для решения задач синхронизации и повышения помехоустойчивости цифровой магнитной звукозаписи [ 72-74 ] .

3. Использование р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции в технике аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования [2,3,6,9,70] .

Теоретические и практические результаты,полученные при исследовании р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции,подтверждают высокий эффект р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции при создании аналого-цифровых преобразователей(АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦДЛ) [3,69] .

В диссертационной работе Азарова А.Д. "Исследование принципов построения и разработка преобразователей информации на основе кодов с иррациональными основаниями" показано, что использование кодов с иррациональными основаниями в технике АЦП и ЦАП позволяет:

- создавать метрологически надежные ПФИ;

- получать высокие точностные характеристики благодаря цифровой коррекции результата преобразования;

- упростить процесс контроля линейности выходной характеристики ПФИ.

Разработанный на кафедре вычислительной техники самокорректирующийся АЦП САЦП-1, награжденный бронзовой медалью ВДНХ, обладает высокими метрологическими характеристиками и полностью подтверждает теоретические выводы, полученные в работах А.П.Стахова и А.Д. Азарова.

Независимо от работ кафедры вычислительной техники исследования по применению избыточных измерительных кодов были проведены специалистами американской фирмы „Intermit " , что привело к разработке АЦП ICL 7115 , точность которого соответствует 14 разрядам. Основной особенностью разработанного АЦП явилось использование избыточного измерительного кода с основанием 1.85, что позволило улучшить следующие характеристики АЦП [91] :

- резко снизить требования к технологической точности изготовления весов разрядов ЦАП;

- примерно в 5 раз повысить быстродействие АЦП, работающего в режиме последовательного приближения.

Одним из основных узлов АЦП и ЦАП является КУДН, который в значительной степени определяет точностные и метрологические характеристики ПШ [54,85,87,88 ] .

Исследованные и разработанные преобразователи в работе

Азарова А.Д.построены на принципе суммирования эталонных токов, генерируемых независимыми источниками токов. Такой принцип построения АЦП и ЦАП создает определенные трудности при микроэлектронной реализации:

1. Мощность рассеивания токовых ЦАП зависит от величины разрядных токов, что приводит к ограничению разрядности ЦАП в одном корпусе микросхемы.

2.Токовые ЦАП подвержены температурному влиянию больше,чем потенциальные ЦАП и требуют дополнительных схемотехнических решений для температурной компенсации.

3. Технологический процесс разработки гибридных и интегральных микросхем токовых ЦАП требует больших временных и стоимостных затрат.

В теории и практике ШИ,использующих классический двоичный код, наряду с другими типами преобразователей "код-напряжение", достаточно известны КУДН типаЯ-2В [38,47,54,56,59] . Теории проектирования таких делителей посвящено большое количество работ как советских, так и зарубежных авторов [33,35] .Наибольший вклад в развитие теории КУДН внесли труды В.Б.Смолова,Г.Е.Пухова К.А. Нетребенко, В.М. Шляндина, Г.П. Шлыкова, А.Ф.Сушко.

Важными преимуществами КУДН по сравнению с токовыми ЦАП являются:

- малая потребляемая мощность;

- более высокая термостабильность;

- простота схемотехнической реализации;

- выпускаемые интегральные ключевые элементы К590КН2, К590 КН5,позволяют коммутировать электрическое напряжение разной полярности;

- более низкие стоимостные показатели.

Как показывает анализ работ [ 2,3,46,67,69,71] , посвященных применению р-кодов Фибоначчи и кодов "золотой" р-пропорции в технике АЦП и ЦАП,кодоуправляемые резистивные делители напряжения в кодах с иррациональными основаниями исследованы недостаточно.Перед автором была поставлена цель'.исследование кодоуправля-емых резистивных делителей напряжения в кодах с иррациональными основаниями,а также разработка на их основе новых способов контроля, поверки и повышения точности,в теоретическом плане- развитие теории кодов с иррациональными основаниями и создание нового класса кодов,ориентированных на реализацию в технике АЦП и ЦАП.

В связи с этим приведен литературный обзор существующих способов контроля,поверки и повышения точности линейности выходной характеристики КУДН. По анализу литературного обзора были сформулированы вопросы, подлежащие дальнейшему исследованию.

В первой главе диссертационной работы выполнено исследование кодов с иррациональными основаниями,определенных из обобщенного характеристического уравнения,описаны КУДН для кода "золотой" р-пропорции.Для лестничного КУДН проведены исследования при наличии единичного параметрического отказа и при полной деформации разрядных коэффициентов делений, при этом выведены основные соотношения, определяющие величины инструментальной погрешности, установлена их взаимосвязь.

Во второй главе диссертационной работы исследованы способы оперативного контроля и метрологической поверки линейности выходной характеристики КУДН.

Третья глава посвящена исследованию новых способов повышения линейности выходной характеристики КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

В четвертой главе диссертационной работы показаны примеры практической реализации, приведена методика подгонки гибридных микросхем КУДН в коде "золотой" 1-пропорции.

Результаты диссертационной работы были использованы в двух хоздоговорных работах,проводимых с предприятиями г. Киева и г. Абовяна.

I. КОДОУПРАВЛЯЕМЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В КОДАХ С ИРРАЦИОНАЛЬНЫМИ ОСНОВАНИЯМИ

В основу весового соответствия разрядных коэффициентов деления КУДН положена геометрическая прогрессия, знаменатель которой является основанием системы счисления. Величины весов разрядов в кодах с иррациональными основаниями также подчинены законам геометрической прогрессии. В работах А.П.Стахова [61,62,70] предложен следующий способ представления действительного числа А;

А = JL а^ • Ар ,

Ар - основание иррациональной системы счисления, которым является действительный корень следующего характеристического уравнения а — А + 1

Приближенное значение (fi/p для параметра кода р приведены в таблице I.I.

Таблица I.I.

Р : 0 : I : 2 : 3 : 4 : 5 : . • оо

Ар : 2 : 1,618 : 1,465:1,380: 1,324: 1,285 : . . : I

Основанием данной системы счисления есть число Ар , которое является иррациональным числом. Поэтому системы счисления,в основу которых было положено число Ар , были названы системы счисления с иррациональными основаниями (ССИО).

В работах [25,61] показана методика получения ССИО из арифметической прогрессии. Отношение двух соседних членов с большими номерами позволяет также определить основание ССИО.

Однако, как показано в работах [28,44],данные способы получения иррациональных чисел являются частным случаем, так называемой, возвратной последовательности. В данной главе диссертационной работы получены и исследованы новые ССИО, определяемые из возвратной последовательности или обобщенного характеристического уравнения. Для произвольной ССИО определена методика расчета лестничного КУДН.

В данной главе описаны основные типы КУДН в коде "золотой" I-пропорции, исследован единичный параметрический и групповой отказ лестничного КУДН.

I.I. Системы счисления с иррациональными основаниями.

Для получения основания ССИО введем понятие обобщенного характеристического уравнения.

Определение I.I. Обобщенным характеристическим уравнением называется уравнение вида: хЧ/Ч'/Ч/^'Ч**1' (I.D где Cj^ - двоичная цифра, определяющая частное уравнение

10,13 |

S - параметр обобщенного характеристического уравнения

Sr. {0,1,2, . ,П/3 .

Из обобщенного характеристического уравнения (I.I), в зависимости от конкретного параметра S^ и двоичной цифры Cj^, можно получить частные характеристические уравнения.Используя известные методы решения уравнений [28,44] , с высокой степенью точности из частного уравнения вычисляют основание требуемой системы счисления, которым является действительный положительный корень, (ftg значение которого больше единицы. Величины весов разрядов ССИО могут быть получены из выражения: = Aj1 • As , d-2) где Ag - основание иррациональной системы счисления.

Любое действительное число в ССИО представляется в виде:

A=Z a:'(L , (1.3) где А - действительное число;

CL^ - двоичная цифра в t -м разряде СЦ£{0,13 ; (Ag - вес i -го разряда. Если в выражении (I.I) принять, что 1 , то для различных значений § получим группу частных характеристических уравнений :

1-Х =0;

1 + Х-Х*-0 ;

1+Х+Х2-Х5=0', (1.4)

1+1+Х2+Х-Х4=0; нх+х2+х5+х4+. +ха-х*=о.

Решениями частных характеристических уравнений (1.4),являются основания иррациональных систем счисления,которые запишем в таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

5 : I : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : . . гь

As : I : 1,618 :I,839 :1,927 :Х,953 : 1,983 : . • 2 • • • • rw

Как видно из таблицы 1.2, в отличие от известного характеристического уравнения С 61,62] xp+, = xp+i, обобщенное характеристическое уравнение позволяет определить основания иррациональных систем счисления в интервале [ 2. 1,6181 . Очевидным является тот факт, что информационная избыточность иррациональных систем счисления в интервале [2. 1,618] , ниже, чем избыточность иррациональных систем счисления в интервале [ 1,618.1 ] . Как видим из таблицы 1.2, первое частное уравнение (1.4) соответствует основанию единичной системы счисле-ft <-> »» ния, второе - золотой" пропорции, а последнее - основанию двоичной системы счисления.

Таким образом, обобщенное характеристическое уравнение (I.I) позволяет определить основания иррациональных систем счисления в интервале [2.1 ] .

Как показано в работах [61,62] , важной особенностью кодов с иррациональными основания является неоднозначность представления цифровой величины. Это свойство кода обеспечивается благодаря рекуррентной связи между младшими величинами весов разрядов и более старшим весом.

Обобщенное характеристическое уравнение (I.I), в зависимости от Cj, , позволяет установить рекуррентную связь весов разрядов. Эту особенность можно показать на примере I.I из выражения (1.4).

Запишем (1.4) в более удобном виде. 1 =Х

Ii - сдвиг в единичном коде вправо; t-1 - сдвиг в единичном коде влево;

- операция свертки кода (GK); I—t-1 - операция развертки кода (РК);

1 + Х+Х2 = Х* pw ill * - операция СК;

I—4—i-1 - операция Р К.

111 ijJ- операция С К;

4—1—4-*----*-1- операция P К.

Покажем на примере 1.2 возможность неоднозначного представления в коде 5=3 - иррациональной системы счисления. Кодовую комбинацию зададим произвольным образом.

Пример 1.2.

Величины раз-: М.Р. : : : : : : С.Р. :Эквиварядов: 0,1607:02955 :Q5436 I :I£392:33829:6222 :лент А

Кодовая ком- 0 0 0 1 0 0 I 7,222

441I бинация I I I 0 0 0 I 7,222

1 I±I

I I I I I I 0 7,222

Для ССИО, основания которых находятся в интервале[I,618 . .2] , существует также понятие минимальной формы представления. Покажем на примере 1.3 различные варианты минимальных форм для S иррациональных систем счисления.

Пример 1.3.

Номера разрядов

С.Р.

Р.: Параметр

I 2 3 4 5 6 7 8 • •

I 0 I 0 I 0 I 0 S =2

I I ■0 I I 0 I 0 S=3

I I I 0 I I I 0 S=4

Кодовые комбинации

III

S=n I I I I I

Для случая S =2 после единицы должен следовать обязательно ноль, при § =3 после двух единиц должен следовать ноль и т.д.

- 19

Как видно из примера 1.3, с увеличением основания иррациональной системы счисления количество неоднозначных представлений цифровой величины в данных кодах уменьшается, поскольку имеет место выражение:

П (As . (1.5)

При предельном значении (1.5) неоднозначность представления цифровой величины отсутствует. Данный случай соответствует двоичной системе счисления. Если имеет место неравенство (fbg^S , то над кодом представляемого числа можно выполнять операции свертки и развертки.

Операция свертки заключается в инверсии единиц группы параметров , (Ja, . , (}. }

Операция развертки кода является обратным преобразованием. Получение минимальной формы кода осуществляется с помощью операции свертки кодов.

Важной особенностью данных операций является то, что они не изменяют величину числа, а меняют только форму его кодового представления.

Очевидно, что при S—»—©о и условии £ {0,13 , будет получено множество оснований иррациональных систем счисления:

2м-2 , (1-б) где Q, - количество иррациональных систем счисления;

М - максимальное количество элементов частного характеристического уравнения.

На примере покажем формирование частных уравнений при 0.

Пример 1.4.

1+0+Х2=Х3 , 6 = 3 , р = 2

I| * 1 ' г

1+0 + 0+Х3=х\ s=4 , р-3}

IIi

1+0 + 0 + 0+Х4=Х5, 3=5 , Р=4 .

II I ' 1

При таком алгоритме определения основания иррациональной системы счисления получаются уже известные коды [62,70] - коды "золотой" р-пропорции для случая р=2, р-3, р = 4

В данных кодах, как показано в работах [62, 67] , существует также минимальная форма представления цифровой величины, важной особенностью которой является то, что после единицы следует не менее р-нулей.

С.Р. М.Р.

P=2 I00I000I00I00 . 1000 р=3 I000I000I0000 . 0000 р=4 I0000I0000I00 . 0000 v---' V-у-1 р р

Обобщенное характеристическое уравнение (I.I), как видно из примера (1.4), включает в себя известные коды "золотой" р-пропорции, которые достаточно изучены в работах А.П. Стахова [ 61,62 ] . Однако обобщенное характеристическое уравнение позволяет определить и другие ранее не изученные основания иррациональных систем счисления, расположенных в интервале[i,618. .I] .

Запишем для случая S=5 и (J^e {0,1} различные варианты частных характеристических уравнений: l+Q + O + O-bX1^5 1 + Х+ 0 + 0 + Х4=Х5

I| *

- 21 -1+0+Х2 + 0+Х4=Х5

1II-1

1+x+x2+o+x4 = x5

IIIIt

1+0+0 +x5 + x4=x5

III * l+X + O+X^X^X6

1III ♦

1+0 + X2+X*+X*=X5

IIII* i+x+x2+x3+x4=xs

111 I1*

Из рассмотренных частных характеристических уравнений известным является только первое, характеризующее код "золотой" 5 - пропорции.

Важной характеристикой ССИО, полученных из обобщенного характеристического уравнения (I.I),является избыточность по сравнению с двоичной системой счисления. Определим коэффициент увеличения разрядной сетки из условия диапазона представления чисел.

Диапазон представления чисел в двоичной системе счисления определяется соотношением:

Л ' (1.7) в ССИО - соотношением:

А* > (1.8) где!^дв - диапазон представления чисел в двоичном коде; к1и -в сси°; гь - разрядность двоичного кода; пгг - разрядность иррационального кода. Условием для определения коэффициента увеличения разрядной сетки является выражение

1.9)

Прологарифмируем выражение (1.9):

I.10)

Приведем (I.10) к более удобному виду: n*bfo^d\)g = ГЬ .

I.II)

Из (I.II) коэффициент увеличения разрядной сетки I иррационального кода равен:

На рис. I.I показана зависимость избыточности иррационального кода по сравнению с двоичным кодом для случая = 1

Таким образом, рассмотренное обобщенное характеристическое уравнение, в отличие от известного позволяет определять частные характеристические уравнения, корнями которых являются основания иррациональных систем счисления, находящихся в интервалах [ 2.

При этом также необходимо отметить, что обобщенное характеристическое уравнение позволяет определить значительно большее количество ССИО, чем известное. По виду частного уравнения, как показали исследования, можно устанавливать рекуррентную связь разрядов. Полученные из обобщенного уравнения ССИО могут найти широкое применение не только в области АЦ и ЦА. преобразования,но и в других областях цифровой и измерительной техники.

I.I2)

1,618] и [1,618.1] .

Рис. I.I.

Изменение коэффициента увеличения разрядной сетки при (j^ =1.

Основные результаты выполненных исследований в данной главе состоят в следующем:

- на базе КУДН в КЗП1 разработана КПУ, имеющая высокую метрологическую стабильность выходных параметров за счет подстройки соответствующих выходных характеристик, процесс подстройки требует минимального количества эталонных величин;

- техническая реализация требует низкоточной элементной базы -Ъ% для создания аналоговых узлов, при этом точность преобразования, как было установлено в ходе испытаний, повышается на три порядка;

- стоимость элементов КПУ невысокая, это приводит к тому, что себестоимость данной системы значительно ниже, чем себестоимость подобного рода систем;

- для поверки и метрологической аттестации 1-го канала КПУ требуется определить значение только одной точки ИОМН, что влечет сокращение времени на поверку и снижение затрат на метрологию;

- устройство метрологического контроля выходных характеристик КПУ является универсальным (то есть может определять величины отклонений каждого канала без каких либо видоизменений) и технически простым;

- процесс контроля и настройки линейности выходной характеристики КУДН в данной КПУ требует незначительных временных затрат (4 мин);

- в разделе 4.2 разработана методика лазерной подгонки ГИС КУДН в КЗП1, позволяющая определять с высокой степенью точности как наличие отклонения, так и его количественное значение;

- процесс лазерной подгонки при реализации данного метода снижает участие оператора вследствие высокой автоматизации;

- ввиду наличия величин отклонения процесс подгонки упрощается, поскольку существует количественный признак для его контроля.

- 168 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие информационно-измерительных систем, управляющих вычислительных комплексов, информационно-регистрирующих систем, измерительной техники сейчас характеризуется усложнением условий эксплуатации в широком диапазоне: изменением температуры, давления, влажности, напряжения питания.

Однако, от КУДН, которые являются важным звеном системы, постоянно требуются высокие точностные и метрологические показатели. Поскольку технологические методы сейчас не могут решить проблему поддержания точностных и надежностных характеристик КУДН на протяжении всего периода эксплуатации, оправданным решением является введение кодовой избыточности, которая в большинстве случаев эффективно решает требуемые задачи.

В диссертационной работе рассмотрены КУДН в КЗП1,использование которых позволяет:

- организовать высокоэффективный контроль с использованием малых аппаратурных затрат, что важно при микроэлектронной реализации;

- упростить требования к средствам поверки, сократив при этом эталонные величины до минимума;

- повысить линейность выходной характеристики по отношению к технологической точности на три порядка;

- упростить процесс точного формирования разрядных коэффициентов деления гибридных и интегральных КУДН в КЗП1 при технологическом методе получения точности.

В диссертационной работе исследованы теоретические и специальные вопросы применительно к КУДН в КЗП1.

Общие научные результаты.

Определено обобщенное характеристическое уравнение, позволяющее получать более широкий класс иррациональных систем счисления. Разработана методика выбора по параметру из обобщенного характеристического уравнения неоднозначного представления цифровой величины в ССИО. Исследованы свойства минимальной формы цифровой величины в зависимости от основания ССИО.

Специальные научные результаты.

1. Для КЗП1 описаны КУДН различных типов, выведены основные математические соотношения для установления требуемых параметров, показана методика расчета лестничного КУДН для других ССИО. Исследовано распределение погрешности в лестничном КУДН в КЗП1 при единичном параметрическом отказе и при параметрической деформации разрядных коэффициентов деления, из которого получены аналитические выражения, позволяющие повышать достоверность метрологического контроля и точность преобразования.

2. Предложены способы оперативного контроля катастрофических и параметрических отказов КУДН в КЗП1, показан выигрыш по быстродействию и определены вероятностные характеристики обнаружения отказов, разработаны и описаны структурные схемы для технической реализации данных способов, приведены технические рекомендации по их использованию.

3. Показано, что использование естественной кодовой избыточности в КУДН упрощает процедуру метрологической поверки и аттестации данных КУДН вследствие того, что количество поверочных эталонных величин сокращено до минимума. Универсальный метод поверки требует две эталонных величины, метод поверки КУДН требует одной эталонной величины.

На основе предложенных способов разработаны автоматизированные системы поверки КУДН в КЗП1, использование которых влечет экономический эффект от метрологии.

4. Исследование инструментальной погрешности КУДН в КЗП1 позволило организовать способы самоповерки линейности выходной характеристики с использованием прямого и косвенного методов определения разности, разработаны и описаны структурные схемы самоповеряющихся КУДН, даны технические рекомендации по применению данных способов.

5. С целью повышения линейности выходной характеристики дискретных КУДН предложен способ высокоточной настройки, позволяющий поддерживать метрологические характеристики на протяжении длительного интервала времени в широком температурном диапазоне. Расширение эксплуатационных показателей стало возможным вследствие того,что естественная кодовая избыточность исключает необходимость использования высокоточных вспомогательных устройств.

6. Предложен способ повышения точности гибридных и интегральных КУДН в КЗП1, использующий метод аналогового усреднения инструментальной погрешности. Показано, что выигрыш по быстродействию по сравнению с известными техническими решениями в 2-4 раза больше. Применение данного способа позволит также сократить аппаратурные затраты в два раза.

7. Показано, что в КУДН может быть использована цифровая коррекция линейности выходной характеристики. Необходимо отметить, что при данном способе требуется низкая технологическая точность интегральных и гибридных КУДН. Применение цифровой обработки информации и введения корректирующей поправки в виде цифрового кода позволяет получать высокие точностные показатели преобразования, исключив из процесса изготовления интегральных и гибридных КУДН дорогостоящий процесс лазерной подгонки.

8. Разработан способ последовательного приближения к требуемому значению эквивалента напряжения, позволяющий аппаратур-но просто, используя низкоточный КУДН, получать высокие точностные характеристики для каждого преобразования цифровой величины в напряжение на протяжении всего срока функционирования, приведен пример технической реализации, описана структурная схема КУДН.

Основные теоретические результаты диссертационной работы нашли свое применение в ряде хоздоговорных работ, правильность которых подтвердили экспериментальные исследования. Данные работы проводились на кафедре вычислительной техники Винницкого политехнического института. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы при эксплуатации контрольно-поверочной установки составляет 55 тыс. рублей, при изготовлении партии микросхем КУДН в КЗП1 - 8,3 тыс. рублей.

1. Тихонов Н.А. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года. Доклад ХХУ1 съезда КПСС 27 февраля 1981 г. - М.: Политиздат, 1981. - 46 с.

2. Азаров А.Д. К вопросу об оценке надежности преобразователей информации на основе кодов с иррациональными основаниями. -В кн.: Методы построения алгоритмических моделей сложных систем. Таганрог, ТРТИ. Вып.4, 1979, с.142-146.

3. Азаров А.Д., Крютченко Е.В., Федотов В.И., Моисеев В.И. Преобразователи информации в кодах с иррациональными основаниями Серпухов, (Препринт/Ин-т физики высоких энергий,ОЭА 79-184) 1979, - 13 с.

4. Акимов А.А. Исследование и разработка оптимальных методов машинной настройки высокоточных декодирующих преобразователей информации. Автореферат на соиск. учен, степени кандидата технических наук, Харьков, 1980, - 21 с.

5. Алиев Т.М. Методы автоматической коррекции погрешностей измерительных систем. Измерительная техника, 1978, №6,с.17-20.

6. Алиев Т.М., Сейдель Л.Р. Автоматическая коррекция погрешностей цифровых измерительных приборов. М.: Энергия, 1975, -213 с.

7. Антонов Г.А., Глухов Н.Н. Мостовая схема для измерения коэффициентов деления дискретных делителей вида .- Измерительная техника, 1977, №9, с.49-53.

8. А.с. 809541 (СССР). Цифро-аналоговый преобразователь/ А.П. Стахов. Опубл. в Б.И. 1981, Ю.

9. А.с. 864548 (СССР). Цифро-аналоговый преобразователь/ А.П. Стахов, А.Д. Азаров, В.И.Моисеев, Ю.А.Петросюк. Опубл. в Б.И. 1981, №34.

10. А.с. 928632 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь/ А.П. Стахов, А.Д. Азаров, Ю.А.Петросюк, В.П.Волков. Опубл. в Б.И. 1982, №18.

11. А.с. 953721 (СССР). Цифро-аналоговый преобразователь/ А.П. Стахов, А.Ф. Сушко, А.А.Акимов, Ю.А.Петросюк, В.Н. Ефименко.- Опубл. в Б.И., 1982, №31.

12. А.с. 9II720 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь/ А.П. Стахов, А.Д. Азаров, Ю.А. Петросюк, В.П. Волков. Опубл. в Б.И. 1982, №9.

13. А.с. 1008902 (СССР). Устройство контроля цифро-аналоговых преобразователей/ А.П. Стахов, Ю.А.Петросюк, О.В.Конючевский, А.Е. Хуторянец. Опубл. в Б.И. 1983, №12.

14. А.с. 1005298 (СССР). Цифро-аналоговый преобразователь/ А.П. Стахов, Ю.А.Петросюк, А.И.Черняк, О.В.Конючевский, А.А. Сухарев. Опубл. в Б.И. 1983, №10.

15. А.с. 1005300 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь/ А.П. Стахов, М.А. Рвачев, В.П. Волков, А.И. Черняк, Ю.А.Петросюк.- Опубл. в Б.И. 1983, №10.

16. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1970, - 592 с.

17. Бабак О.В., Есипенко В.Д., Филиппов В.Е. Технические средства преобразования аналоговой информации. Киев: Техн1ка, 1983, - 133 с.

18. Балакай В.Г. Интегральные схемы АЦП и ЦАП. М.: Энергия, 1978, - 255 с.

19. Бахмутский В.Ф. Универсальные цифровые измерительные приборы и системы М.: Сов. радио, 1979, - 351 с.

20. Бахтияров Г.Д. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Сов. радио, 1980, - 277 е.

21. Безикович А.Я., Прицкер В.И., Эскин С.П. Автоматизация поверки электроизмерительных приборов. JI.: Энергия, 1976, -213 с.

22. Бессонов А.А. Линейные электрические цепи. М.: Высшая школа, 1974, - 315 с.

23. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.:Вые-шая школа, 1978, - 527 с.

24. Бородатый В.И. Способ определения нелинейности ЦАП. Измерительная техника 1981, №18, - с. 30-31.

25. Браткевич В.В.,Збродов Н.А. Избыточные двоичные системы счисления. Приборостроение: Межвуз. сб., 1981, №3, с. 44-48.

26. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Издательство стандартов, 1972, - 315 с.

27. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962, -539 с.

28. Воробьев Н.Н. Числа Фибоначчи. М.: Наука, 1978, 139 с.

29. Вострокнутов Н.Н., Кашлаков В.М. Методика самонастройки коэффициентов деления дискретных делителей напряжения. -Измерительная техника, 1977, №9, с. 49-53.

30. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике.- М.: Физико-математическая литература, 1963, 870 с.

31. Гельман М.М., Шаповал Г.Г. Автоматическая коррекция систематических погрешностей в преобразователях "напряжение-код". -М.: Энергия, 1974, 82 с.

32. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Энергоиздат, 1981, - 255 с.

33. Гнатек Ю.Р. Справочник по аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям. М.: Радио и связь, 1982, 550 с.

34. Голубев В.В. Прибор для измерения коэффициентов деления ко-доуправляемых делителей напряжения типа "ft- SB. Измерительная техника 1978, МО, - с. 50-51.

35. Гришанов А.А. Интегрирующие цифровые вольтметры. М.Энергия, 1981, - 120 с.

36. Зб.Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Стандартов, 1972, - 156 с.

37. Ивашев-Мусатов О.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979 - 254 с.

38. Кондалев А.И. Системные преобразователи формы информации. -Киев: Наук, думка, 1974, 334 с.

39. Кондалев А.И., Никитин А.Н., Богацкий В.А. Вопросы проектирования преобразователей форм информации. Киев: Наук, думка, 1977, - 243 с.

40. Клебанский Р.Б. Преобразователи кода в напряжение. М.: Энергия, 1973, - 101 с.

41. Лихтциндер Б.Я., Сторожук Ю.А., Орлович Ю.П. Алгоритмы моделирования и анализа сигналов цифровой магнитной записи. В кн.: ХУ1 Всесоюзное совещание "Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники": Тез. докл. М., 1979, - с. 182.

42. Любимов Л.И.,Форсилова И.Д. Поверка средств электрических измерений, Л.: Энергия, 1979, - 188 с.

43. Малиновский В.Н. Цифровые измерительные мосты. М.: Энергия, 1976, - 190 с.

44. Маркушевич А.И. Возвратные последовательности. М.: Наука, 1983, - 46 с.

45. Мартюшов К.И. Прецизионные непроволочные резисторы. М.: Энергия, 1979, - 198 с.

46. Моисеев В.И. Преобразователи информации на основе избыточно-измерительных кодов. В кн.: Автоматизация измерений. Рязанский политехи, ин-т., Рязань 1982, - с. 43-46.47.0рнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: ВИЩА ШКОЛА, 1980, - 557 с.

47. Петросюк Ю.А. Кодоуправляемые резистивные делители напряжения в кодах с иррациональными основаниями. Киев, 1983, II с. Рукопись депонирована в ГРНТБ Укр. НИИ НТИ, №41-Др.,83-Деп.

48. Петросюк Ю.А. Самоконтролирующиеся кодоуправляемые резистивные делители напряжения в кодах с иррациональными основаниями. Киев, 1983. 10 с. Рукопись депонирована в ГРНТБ Укр НИИНТИ, №42-Др., 83-Деп.

49. Пономарев М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. М.: Энергия, 1982. - 290 с.

50. Прагер Э.К. Цифровая техника в связи. М.: Радио и связь,1981. 175 с.

51. Проненко В.И.,Яркин Р.В. Метрология в промышленности.-К.: Техн1ка, I979.-22IC.

52. Прэтт У.К. Цифровая обработка изображений. Т.2. М.: Мир,1982. 790 с.

53. Пухов Г.Е.Справочник по аналоговой вычислительной технике -Киев: Техн1ка, 1975, 427 с.

54. Роджер Ален. Специальный обзор. Новое о преобразователях данных. Электроника, 1980,№16, - с.302 - 312.

55. Розенблат М.Г., Михайлов Г.Х. Источники, калиброванных напряжений постоянного тока.-М.: Энергия, 1976, с.205.

56. Симагин A.M. Устройство контроля функционирования преобразователя код-напряжение. Информационный листок 13-08-04;серия ИЛКИА Ш0 072Б.

57. Скрипник Ю.А. Об измерении частотных погрешностей делителей напряжения. Измерительная техника, 1972, №8, с.50-52.

58. Смолов В.Б. Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи. Л.: Энергия, 1967, - 311 с.

59. Смолов В.Б. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации. Л.: Энергия. Ленинград, отд-ние, 1976. - 336 с.

60. Стахов А.П. Введение в алгоритмическую теорию измерения. -М.: Сов. радио, 1977, 288 с.

61. Стахов А.П. Алгоритмическая теория измерения. М.: Знание, 1979, №6, - 64 с.

62. Стахов А.П. Использование естественной избыточности "фибо-наччиевых" систем счисления для контроля вычислительных систем. Автоматика и вычислительная техника. 1975, №6, - с.80.87.

63. Стахов А.П. Фибоначчиевы двоичные позиционные системы счисления. В кн. Кодирование и передача дискретных сообщений в системах связи. - М.: Наука, 1976. - с. 36-42.

64. Стахов А.П. Избыточные двоичные позиционные системы счисления. В кн.: Однородные цифровые вычислительные и интегрирующие структуры. Таганрогский радиотехнический институт им.

65. В.Д. Калмыкова, 1975, вып. 7, с. 3-10.

66. Стахов А.П.,Азаров А.Д. Цифро-аналоговый преобразователь. Положительное решение от 17.05.1979 на заявку 2679972.

67. Стахов А.П. Перспективы применения систем счисления с иррациональными основаниями в технике аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Измерение, контроль, автоматизация, 1981, №6, - с. 3-9.

68. Стахов А.П. "Золотая" пропорция в цифровой технике. Автоматика и вычислительная техника, 1980, №1, - с. 27-33.

69. Стахов А.П. Цифровая метрология в кодах Фибоначчи и кодах "золотой" пропорции. В кн.: Современные проблемы метрологии. М., ВЗМИ, 1978, том.I, - с. 51-65.

70. Стахов А.П., Сторожук Ю.А., Лихтциндер Б.Я. Комплексный подход к кодированию в цифровой магнитной звуко-и видеозаписи. Реферативный н/т сб., телевидение - М., 1981, выпуск 2(219), - с. 9-10.

71. Сторожук Ю.А. Генераторы псевдослучайных кодов Фибоначчи. -В кн.: Информационные и моделирующие системы в электронике и электроэнергетике, сб. научн. тр. Киев, Наукова думка, 1980, - с. 40-43.

72. Стахов А.П., Петросюк Ю.А., Сухарев А.А. Разрядный элемент для преобразователя кодов в напряжение. Положительное решение от 29.Ш. 1983 по заявке 3412299.

73. Стахов А.П., Петросюк Ю.А., Конючевский 0.В.,Сухарев А.А., Хуторянец А.Е. Положительное решение от 29.12.1982, по заявке № 3412298.

74. Стахов А.П., Петросюк Ю.А., Рвачев М.А., Носинова Б.У. Системы счисления с иррациональными основаниями. Киев, 1983, 10 с. Рукопись депонирована в ГРНТБ Укр. НШ НТИ, №753 -Др., 83-Деп.

75. Стахов А.П., Соляниченко Н.А., Черняк А.И., Петросюк Ю.А. Применение микропроцессоров для управления калибраторами напряжения на основе кодов с иррациональными основаниями. В кн.: Тез. докл. Всесоюзн. н/т конф. - Львов ИИС-81, 1981, том 2, - с. 160.

76. Соляниченко Н.А. Алгоритхмы выполнения арифметических операций в избыточной отрицательной базе. В сб.: Методы построения алгоритмических моделей сложных систем. Таганрог, изд. ТРТИ, 1978, вып. 3, - с. 43-48.

77. Сушко А.Ф., Акимов А.А. Построение резистивных дискретных делителей напряжения наивысшей точности из неточных резисторов. Метрология, 1979, №7, - с. 30-35.

78. Сушко А.Ф., Акимов А.А. Методы поверки высокоточных двоичных резистивных дискретных делителей напряжения. Измерительная техника, 1979, №12, - с.60-61.

79. Сушко А.Ф.,Акимов А.А. Настройка прецизионных делителей напряжения В 2.R с применением ЭЦВМ при использовании образцовых мер сопротивления. - Электронное моделирование,1980, №5, с. 106-107.

80. Швецкий Б.И. Электронные цифровые приборы. Киев: Техн1ка,1981, 247 с.

81. Шило B.JI. Линейные интегральные схемы. М.: Сов. радио, 1978. - 357 с.

82. Шляндин В.М. Цифровые электроизмерительные приборы. М.: Энергия, 1972. - 400 с.

83. Шлыков Г.П. Контроль параметров цифро-аналоговых преобразователей Пенза: Пензенский политехи, ин-т, 1980. - 102 с.

84. Шлыков Г.П. Контроль кодоуправляемых делителей.- Измерение, контроль, автоматизация, 1979, №2 с. 26-31.

85. Широченский А.Е. Анализ погрешности симметричного преобразователя R-2R с источником напряжения. Измерительная техника, 1971, №3, - с. 52-53.

86. Успешно выполним решения ХХУ1 съезда КПСС. Измерительная техника, 1981, №7, - с. 3-5.

87. Ziya Во^аш^^., ^ье /SobW. Зпшом oumlo^-sydim, асштсу v^k а 14-М А£>с