автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование помехоустойчивости и динамических характеристик аналогов входных устройств постоянного тока управляющих вычислительных машин

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В АНАЛОГОВЫХ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВАХ УВМ. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ УСТРОЙСТВ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1.Состояние вопроса

1.2.Трансформаторные схемы гальванического разделения.

1.3.Схемы гальванического разделения на запоминающих конденсаторах.

Выводы по главе I.

ГЛАВА П. НОРМИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СИГНАЛОВ ПОСТОЯННОГО

ТОКА И ИХ ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

2.1. Состояние вопроса.

2.2. М-ДМ усилители постоянного тока с импульсной стабилизацией и выбор их параметров

2.3. Метод интегрирования импульса. Интегрирующие схемы измерительных усилителей постоянного тока.

2.4. Динамический метод преобразования сигналов от термопреобразователей сопротивления (ТС) в напряжение.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА Ш. СИСТЕМНЫЕ МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ

3.1. Состояние вопроса

3.2. Анализ влияния широкополосных помех на системы сбора данных с квантованием по времени

3.3. Синхронная фильтрация поперечных помех фиксированной частоты с применением схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

3.4. Цифровая коррекция параметров аналоговых входных устройств.

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СХЕМ И ТЕХНИЧЕСКИХ СТРУКТУР АНАЛОГОВЫХ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ УВМ

4.1. Состояние вопроса.

4.2. Устройства ввода аналоговых сигналов (УВА).Л

4.3. Блоки гальванического разделения цепей постоянного тока (БГР-05, ЕГР-М601, ЕГР-М и ЕГР-М603)

4.4. Блоки преобразования сигналов от ТС в напряжение (БКХС-М601 и БПС-ТС-01)

ВЫВОДЫ

Актуальность темы. Развитие технических средств автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) выдвигает сложные задачи при построении аналоговых входных устройств (АВУ) управляющих вычислительных машин (УВМ), а современное направление создания иерархических децентрализованных систем управления, основу которого составляют локальные управляющие устройства на базе микропроцессоров и мини-ЭВМ, еще более повышает требования к АВУ.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" отмечается, что: "В области естественных и технических наук сосредоточить усилия на решении следующих важнейших проблем: . совершенствование вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем сбора, передачи и обработки информации"*.

На данном этапе уровень развития АВУ несколько уступает уровню развития центральных процессоров УВМ и не всегда удовлетворяет требованиям АСУ ТП. Это с одной стороны объясняется необходимостью адаптации структур и характеристик АВУ применительно к конфетным задачам управления технологическими процессами, а с другой стороны - отсутствием во многих случаях аналитических методов проектирования АВУ. Одной из наиболее трудных задач при этом оказывается поиск компромисса между требованиями помехоустойчивости и быстродействия АВУ. Поэтому разработка аналитических методов проектирования АВУ, сочетающих помехоустойчивость с необходимым быстродействием, является научно-исследовательской задачей, от решения которой зависит практическая

I. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981, с. 146. реализация целого ряда АСУ ТП,в том числе в таких областях,как атомная и тепловая энергетика, нефтехимия и т.д. Разработка этих методов и практическая реализация на их базе АВУ УВМ легли в основу настоящей работы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов аналитического расчета и синтеза помехоустойчивых узлов и устройств аналогового ввода управляющих вычислительных машин.

В диссертации разрабатываются и выносятся на защиту:

- методы аналитического расчета помехоустойчивости и динамических характеристик узлов и устройств аналогового ввода;

- синтез на основе этих методов и внедрение прецизионных устройств гальванического разделения цепей сигналов постоянного тока низкого уровня с повышенными помехоустойчивостью и быстродействием;

- синтез и внедрение нормирующих устройств и преобразователей сигналов постоянного тока с повышенными помехоустойчивостью и быстродействием;

- системные методы подавления помех и повышения точности входных аналоговых устройств УВМ.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты.

Выведены соотношения, описывающие динамические характеристики схем гальванического разделения,как по сигналу, так и по продольной помехе и позволяющие вести исчерпывающие расчеты этих устройств при проектировании. Предложен новый тип гальванического разделителя с последовательным включением запоминающих конденсаторов.

Выведены соотношения, описывающие динамические и статические характеристики нормирующих усилителй с импульсной стабили

- б зацией в цепи отрицательной обратной связи; на их основе предложены варианты построения этих усилителей, позволяющие оптимизировать их характеристики при заданной элементной базе.

Предложен метод демодуляции с интегрированием импульса в М-ДМ измерительных усилителях и АЦП, позволяющий компенсировать ошибку спада вершин импульсов схем гальванического разделения. На этой основе разработаны нормирующие преобразователи повышенной точности.

Разработаны системные методы подавления помех, в частности, синхронные фильтры с синхронизацией по помехе с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и (на основе проведенного исследования воздействия широкополосных помех с неограниченным спектром на системы сбора данных с квантованием времени) метод рандомизированного квантования для фильтрации высокочастотных помех.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов расчета, позволяющих полностью синтезировать схемы и структуры аналоговых входных устройств и узлов постоянного тока УВМ на этапе проектирования, а также в разработке и внедрении ряда схемных и структурных решений АБУ с повышенными помехоустойчивостью и быстродействием.

Полученные результаты и предложения были использованы в работах, проводившихся в ТНИИСА НПО "Элва" при: разработке устройств гальванического разделения и системных методов подавления помех по теме № 0888 1312 10 "Исследование возможности создания устройства связи с объектом (УСО) для комплексной автоматизации ТЭС и АЭС"; создании блоков гальванического разделения БГР-05 для субкомплекса М-64 по теме № 0888 9143 50 "Ряд субкомплексов УСО СМ ЭВМ для объектов энергетики", разработанного в соответствии с планом важнейших работ (постановление ЦК КПСС и СМ СССР от 26/У1-80г. № 539-175 - Запорожская АЭС, поручение СМ СССР от 8/Х-80г. № ПП-2045 и Проект постановления ПП 2533 от 11/ХП-80г.); разработке блоков гальванического разделения ЕГР-М601, ЕГР-М602, ЕГР-М603 и БКХС-М601 для замены морально устаревших блоков в ИК М-60 на действующих атомных станциях по теме № 0888 3823 90 "Разработка, изготовление и поставка узлов для модернизации ИК М-60 на действующих АЭС"; разработке устройства ввода аналоговых сигналов СУВА) для мини-ЭВМ ПС-300 по теме № 0888 7098 50 "Разработка и изготовление УВК на базе микро-ЭВМ ПС-300; разработке блока БПС-ТС-01 по теме № 0888 2055 60 "Создание автоматизированной системы управления технологическими процессами комплекса литья под давлением". Эти устройства и блоки рекомендованы межведомственными и ведомственными комиссиями к серии и внедрены в производство, общий экономический эффект от их внедрения составляет 269,8 тыс.р. (см. акты внедрения по работе).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

19-й Республиканской научно-технической конференции. 28 -30 мая, г. Тбилиси, 1975г.

Республиканской научно-технической конференции по вопросам разработки внедрения ВТ и УВК в народное хозяйство. 28-30 ноября, г. Тбилиси, 1977г.

Всесоюзном семинаре по теме "Управляющий вычислительный комплекс ПС-300, перспективы его развития и применения в народи ном хозяйстве. 14-16 мая, г. Тбилиси, 1981г.

Публикация. По содержащимся в диссертации результатам опубликовано 8 работ, включая одно авторское свидетельство (без соавторов одна публикация) и они отражены также в отчете о научно-исследовательской работе.

Объем работы. Работа состоит из краткого введения, четырех глав и заключения.

В первой главе анализируется воздействие помех на измерительные цепи АВУ. Дан краткий обзор методов подавления синфазных помех и сформулированы требования к АВУ по помехоустойчивости, быстродействию и допустимому уровню синфазных помех. Рассматривается гальваническое разделение (ГР) вход-выход как наиболее эффективный метод подавления синфазных помех, проведены исследования динамических характеристик схем ГР, предложена новая схема для подавления синфазного сигнала, защищенная авторским свидетельством /27/, выработаны соответствующие рекомендации по построению схем ГР аналоговых сигналов постоянного тока.

Вторая глава посвящена нормирующим устройствам преобразования аналоговых сигналов постоянного тока, применение которых в АВУ необходимо из-за большого разнообразия типов и диапазонов входных сигналов, поступающих от первичных преобразователей (датчиков). Дан краткий обзор схем нормирующих преобразователей и методов коррекции сдвига нуля. Исследован усилитель с импульсной стабилизацией в цепи отрицательной обратной связи /47 * 50j как наиболее эффективное средство при построении точных нормирующих преобразователей, работающих в широком диапазоне частот изменения входного сигнала. Даны соответствующие выводы и рекомендации. Исследован метод демодуляции с интегрированием импульса, предложенный автором в работе [ы] , и рассмотрены нормирующие преобразователи, построенные на его основе. Предложен и исследован динамический метод преобразования сигналов от датчиков термопреобразователей сопротивления.

В третьей главе предлагаются и исследуются системные методы подавления помех. На входы большинства систем сбора данных попадают помехи и сигналы, содержащие частоты, превышающие час-топу квантования. В результате на выходе системы возникают биения с разностными частотами, значительно меньшими чем частота квантования, которые оказываются в полосе прозрачности последующих звеньев систем и потому вносят существенные погрешности. Проблема определения условий возникновения биений не получила до сих пор удовлетворительного решения [l, 58 J. В данной главе работы исследованы воздействия широкополосных помех и сигналов на системы сбора данных с квантованием по времени, выявлены необходимые условия возникновения биений, как при детерминированных, так и при случайных помехах. На этой основе выработаны практические рекомендации по системным методам подавления помех, в частности предложено использовать схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в М-ДМ системах, работающих по методу синхронной фильтрации. Далее в данной главе рассматриваются системные методы повышения точности, основанные на применении цифровой коррекции параметров АВУ. Предложены соответствующие практические структуры и алгоритмы работы.

В теоретических исследованиях в главах I * 3, используется математический аппарат преобразования Лапласа /79/ и теория импульсных систем [31, ъг] .

В четвертой главе рассмотрены схемы и технические структуры, основанные на материалах предыдущих глав и внедренные в народное хозяйство.

7. Результаты работы внедрены при создании ряда УВМ и АСУ ТП для атомных электростанций, в частности при создании управляющего комплекса М-64 и при модернизации комплекса М-60. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 269,8 тыс.р.

1. Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами. T.1.Под ред. Харисона Т., -М.: Мир, 1975, - 530 с.

2. Серьезнов А.Н., Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. -М.: Энергия, 1968, 72 с.

3. Отт Г. Методы подавления щумов и помех в электронных системах.- М.: Мир, 1979, 317 с.

4. Павленко В.А. Электрические системы регулирования с сигналом связи постоянного тока. М.: Энергия, 1971, - 455 с.

5. Эрглис К.Э. Защита электронной аппаратуры и измерительных систем от внешних помех. Приборы и техника эксперимента, 1969, № 3, с. 5-17.

6. Эрглис К.Э. Метода уменьшения внутренних наводок в электронной аппаратуре и измерительных устройствах. Приборы и техника эксперимента, 1971, № 5, с. 7-21.

7. Гальперин М.В., Пхакадзе О.Ш. Методы подавления помех в аналоговых измерительных системах. Приборы и техника эксперимента, 1980, № 4, с. 7-21.

8. Проектирование и применение операционных усилителей. /Под ред. Дж. Грэма, Дж.Тоби, Л.Хюлсмана. М.: Мир, 1974. - 510 с.

9. Лейтман М.Б., Аверченко О.Е., Тихонов В.А. Измерительный преобразователь постоянного напряжения с гальваническим разделением цепей. В кн.: Электронная техника в автоматике. Вып. 9. - М.: Советское радио, 1977, с. 283-889.

10. Измерительные преобразователи постоянного тока. Под редакцией Л.А.Синицкого. Киев: Наукова думка, 1965. - 376 с.

11. Анисимов В.И., Голубев А.П. Транзисторные модуляторы. М.: Энергия, 1964. - 224 с.

12. Касперович А.Н., Попов Ю.А. Коммутация и преобразование малых сигналов. Материалы краткосрочного семинара. Л.: ЛДНТП,1972, с. 35.ь.

13. Каган Б.М., Боителев А.Н., Лукянов Л.М. Системы связи УВМ с объектами управления в АСУ ТП. М., Советское радио, 1978, - 298 е.; с. 229.

14. Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники, М.: Советское радио, 1971. - 271 с.

15. ЗИ С.М. Физика полупроводниковых приборов. М.: Энергия,1973, 655 с ; с. 489.

16. Гощинский Т., Харасимович Е., Схема развязки по постоянному току для аналоговых сигналов. Электроника, 1981, т.54,№ II, с. 73 - 74.

17. Усилитель с дрейфом входного напряжения 2 мкВ/°С. Электроника, 1982, т. 55, № 20, с. 91.

18. Сообщение фирмы xonic-ъ J/ic- Электроника, 1977, т.50, № 14, с. 83.

19. Ицхоки Я.С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959, - 728 с.

20. Кузнецов В.К., Орнин Б.Г., Русин Ю.С., Трансформаторы усилительной и измерительной аппаратуры. М.: Энергия, 1969,- 152 с.

21. Федотов В.П. Доклады научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ 1966-1967 гг. Автоматика, вычислительная и измерительная техника. М: МЭИ, 1967, 70 с.

22. А.С. № 801227 (СССР). Устройство гальванического разделения симметричных цепей постоянного тока. Авт. изобрет. М.В. Гальперин, О.Ш. Пхакадзе, Б.Н. Бронин. Опубл. в Б.И., 1981,4, 242 с.

23. Соболевский К.М., Шакала Ю.А. Защита мостов переменного тока,- Киев: изд. АН УССР, 1957. 176 с.

24. Гальперин М.В., Злобин Ю.П., Корнфельд И.П. К инженерному расчету динамических характеристик импульсных систем с конечным временем съема данных ( метод текущего среднего). Автоматика и телемеханика, 1976, № 9, с. 69-77.

25. Гальперин М.В., Квантование времени в информационных системах: Метод обобщенного текущего среднего. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 128 с.

26. Современные линейные интегральные микросхемы и их применение. Перевод с англ. / Под ред. М.В. Гальперина. М.: Энергия, 1980. - 272 с.

27. Рутковский Дж. Интегральные операционные усилители. М; Мир, 1978. - 323 с.

28. Аналоговые интегральные схемы. / Под редакцией Конели Дж.-М.: Мир.1977. 439 с.

29. Головинов В.М., Данилов B.C. Заочный семинар "Интегральные схемы", вып. б, М.: Наука, 1974. - 54 с.

30. Арховский В.Ф. Схемы переключения аналоговых сигналов. М.: Энергия, 1970. - 152 с.

31. Гальперин М.В. Параметры аналоговых ключевых схем на полевых транзисторах. Приборы и системы управления, 1975, № II,с. 27-29.

32. Марше Ж., Операционные усилители и их применение. Энергия, 1974. - 216 с.

33. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. М.: Мир, 1980. - 360 с.

34. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Л.; Энергия, 1980, 247 е.; с. 28.

35. Аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. /Под ред. Кудряшова Б.П. и др. М.: Радио и связь, 1981. - 160 с.

36. Ленк Дж. Руководство для пользователей операционных усилителей. М.: Связь, 1978. - 328 с.

37. Борис Я.В., Димбровский Ю.П. Дифференциальный высокостабильный усилитель постоянного тока. Приборы и системы управления, 1979, № 9, с. 30-31.

38. Клементьев А.В. Исследование динамических свойств двухканаль-ного операционного усилителя. Труды Ленинградского политехнического института имени М.И. Калинина, 1976, № 355.

39. Каллахан М. Технико-экономические характеристики интегральных операционных усилителей с импульсной стабилизацией. Электроника, 1973, т. 46, № 17, с. 22-30.

40. Джоне, Уэбб. Операционный усилитель с импульсной стабилизацией, выполненный с МОП и биполярными элементами в одном кристалле. Электроника, 1973, т. 46, №20, с. 47-54.

41. Альтман. Полупроводниковая техника (в обзоре). Электроника,1974, т. 47, № 21, с. 66-74.

42. Бронин Б.Н., Гальперин М.В., Пхакадзе О.Ш. 0 выборе параметров усилителей постоянного тока с импульсной стабилизацией. Сообщения АН Груз. ССР, 1978, т. 89, № 3, с. 657-659.

43. Пхакадзе О.Ш. Интегрирующие схемы измерительных усилителей постоянного тока с гальванически изолированным входом. Приборы и техника эксперимента, 1982, № I, с. 135-138.

44. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования.- М.: Физматгиз, 1963. 456 с.

45. Дёг Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z преобразования. - М.: Энергия, 1971. - 288 с.

46. Тодуа Д.А., Габиташвили Г.А., Унгиадзе Д.А., Гай A.M. Ряд СВТ для атомной энергетики. Приборы и системы управления, 1982, № 12, с. 18-19.

47. Тодуа Д.А., Девдариани У.Н., Завьялов В.М. и др. Информационный комплекс М-60. Приборы и системы управления, 1980, № 12, с. 2-4.

48. Персии G.M. Основы теории и проектирования автоматических измерительных систем. М.: Гидрометеоиздат, 1975. - 320 с.

49. Гальперин М.В., Пхакадзе О.Ш. 0 воздействии широкополосных помех и сигналов на системы сбора данных с квантованием времени. Сообщения АН Груз. ССР, 1976, т. 84, № 3, с. 681-684.

50. Цыпкин Я.Э. Теория линейных импульсных систем. М; Физмат-гиз, 1963. - 970с.

51. Дехтяренко П.И. Синхронное детектирование в измерительной технике и автоматике. Киев: Техника, 1965. - 314 с.

52. А.с. № 288412 (СССР). Устройство для записи и воспроизведения информации. Авт. изобрет. Злобин Ю.П., Кессел Е.Д. Опубл.в Б.И., 1970, № 36, с. 127.

53. Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л., Энергия, 1976. - 221 с.

54. Попов B.C., Рубан Н.Г, Помехозащищенный преобразователь постоянного напряжения. Приборы и системы управления, 1980, № 12, с. 21-22.

55. Серьезнов А.И., Шумаков М.А. / Гос.институт научн.техн. информации, тема Jf° 4-66-930/51. М.: ГОСИНГИ, 1966, с.88.

56. Якубов С.И., Пхакадзе О.Ш. Некоторые вопросы построения устройства аналогового ввода. Республиканская научно-техническая конференция по вопросам разработки и внедрения средств ВТ и УВК в народное хозяйство: Тезисы докладов.- Тбилиси, 1977, с. 210-212.

57. Тодуа Д.А., Барбакадзе Н.А., Сахокия Н.Н. и др. Управляющий вычислительный комплекс на базе ЭВМ ПС-300. Приборы и системы управления, 1980, № II, с. 6-8.

58. Якубович A.M. Операционные усилители с автоматической компенсацией дрейфа нуля по методу Принца, Автоматика и телемеханика, 1963, т. 24, № 8, с. III7-II29.

59. Кэш Р. Построение аналоговых схем с высокими рабочими характеристиками из элементов логических К/МОП-матриц.- Электроника, 1981, т. 54, № 16, с. 38-44.

60. Коннорс С. Развязка потенциалов в системах сбора данных.- Электроника, 1980, т. 53, № 10, с. 50-60.

61. Букреев С.С., Головацкий В.А., Гулякович Г.И. и др. Источники вторичного электропитания. М.: Радио и связь, 1983„- 280 с.

62. Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М., Изд-во иностр. лит., I960, - 468 с.

63. Справочник по средствам автоматики ./ Под ред. В.Э.Низеи А.В. Антика. М.: Энергоатомиздат, 1983, - 504 с; с. 141186.Гитис Э.И.f Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи- М.: Энергоиздат, 1981, 360 с.

64. Достап И. Операционные усилители. М.: Мир, 1982. - 512 с.

65. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях / Справочник. Киев: Техника, 1983. - 213 с.

66. Горадов А.Н., Маяков Я.В., Эргардт Н.Н., Ярышев Н.А. Точность контактных методов измерения температуры. М.: Издательство стандартов, 1976. - 232 с.

67. Ван-дер Поль,Б., Бреммер X. Операционные исчисления на основе двухстороннего преобразования Лапласа. М.: Изд-во иностр. лит., 1952, - 506 с.

68. Кендапп М. Дне., Стьюарт А; Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976. 316 с.

69. Корн Г. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. М.: Мир, 1968. - 316 с.

70. Кенан Р. Ридхольм Дж. Аналого-цифровые преобразователи с оперативной коррекцией погрешности. Электроника, 1976, т. 49, № 18., с. 24-31.

71. Празак П., Мрозовский А. Цифровая коррекция погрешностей в системах сбора данных. Электроника, 1979, т. 52, № 24, с. 47-54.

72. Прат Дж. У. Аналого-цифровые преобразователи, сочетающие высокую линейность с быстродействием. Электроника, 1980, т.53, Jf° 22, с. 61-65.

73. Бэрни У. Автоматическая система контроля аналого-цифровых преобразователей. Электроника, 1981, № 19, т. 54, с. 57-5-63.

74. Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки. М: Радио и связь, 1984. - 272 с.87