автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Основы теории, схемотехника и применения электронных схем с аналого-дискретными обратными связями

На правах рукописи

ртб

2 7 от

САФРОШКИН Юрий Васильевич

ОСНОВЫ ТЕОРИИ. СХЕМОТЕХНИКА И ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ С АНАЛОГО-ДЖЖРЁПШМИ ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислитель ной техники и систем управления; 05.09.05 - Теоретическая электротехника

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва I99Я

{-■¿йота выполнена:

- в Путинском научном центре РАН (г.Пущино Московской области);

- в Ульяновском центре Микроэлектроники

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Данчеев В. П.

доктор технических наук, профессор Волгин Л.И.

доктор технических наук, профессор Гусев Г. Г.

Ведущая организация: Московский инженерно-физический

институт

Защита состоится "/" ffoy3 J? 1998 г. в ('(О часов в аудитории ¿jz.SlQJP на заседании диссертационного совета Д-053.16.09 в Московском энергетическом институте (Техническом университете).

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250. Москва, Красноказарменная ул., 14. Ученый совет МЭИ (ТУ).

Диссертация в jjjopw.e научного доклада разослана " /¿7 " ^О/^Л-^Л- iggs г.

Ученый секретарь диссертационного совета /у

Д-053.16.09 к.т.н., профессор [1уу/)и И.И.Ладыгин

- 3 -

КРАТКАЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современный этап развития науки и техники характеризуется быстро растущими требованиями к эффективности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и устройств различного назначения, в том числе к эффективности РЭА и приборов для научных исследований.

Схемотехника таких средств до недавнего времени развивалась, в основном, по структурно-функциональному принципу (СФП-подход): электрическая цепь (ЭД) строится из блоков (ячеек) функциональных элементов (ФЭ), выполняющих определенные типовые функции/операции (от усилителей и сумматоров до АЦП и микроЭВМ). Эффективность АКТИВНЫХ электронных схем (ЭС) из таких блоков и ФЭ при этом определяется: а) уровнем развития и параметрами компонентов общего применения (ог R,C до "чипов"); б) номеклатурой и возможностями ФЭ общего и специального назначения; в) информационным и методическим обеспечением разработчиков схем и устройств.

ФЭ развиваются по двум основным путям:

1. Эволюционное совершенствование традиционных ФЭ (аналоговых и дискретных, общего и частных применений). При этом трудно преодолеть основные слабости СФП: а) "арифметический" рост массы, габаритов, энергопотребления, стоимости и...шумов устройств и РЭА с ростом их сложности (количества функций); б) обычно обратное снижение надежности, чувствительности, быстродействия.

2. Разработка новых ФЭ (новые их функции, качества), позволяющих ослабить или обойти некоторые из таких слабостей.

АКТУАЛЬНОСТЬ и обоснование диссертации в рамках второго пути обусловлены и все более настоятельной необходимостью шире и глубже сопрягать технологию и технику (насыщенные цифровой электроникой обработки и управления) с естественными процессами, обычно непрерывными. Отсюда потребность в АНАЛОГО-ДИСКРЕТНОЙ (АД) схемотехнике для развития АД интерфейсов. Ее методологическое и теоретическое обеспечение в последние десятилетия стимулировалось и развитием "гибридных" (в смысле АД свойств) ЭВМ и преобразователей (АЦП.ЦАП) для радиоэлектроники, вычислительной техники, систем управления. Большой вклад в это внесли многие школы, авторы (библиография в [2, 36-39] и [Д1] - см. ниже). Их опыт и достижения показывают большие резервы повышения эффективности РЭА по второму пути.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию АД схемотехники, создзнию ФЭ и устройств с новыми АД свойствами и более широкими возможностями за счет уплотнения ("концентрации") нужных функций, их "самоорганизации" с использованием более компактных схемотехнических решений. Раскрываемая ниже АД концепция, ее методология и принципы приводят к более эффективным решениям, чем чисто ана-

логовые иди дискретные, особенно при разработке экономичной РЭА, необходимой во многих областях. В диссертации это подтверждено на приборах и аппаратуре для научных исследований, разработанных и внедренных в производство и научную практику.

Актуальность работы подтверждена и ее тесной связью с крупными комплексными программами: "Автоматизация научных исследований", "Микрометоды в химии белка" и др. (пост. СМ СССР N131 от 18.2.75г. пост. ГКНТ СССР N69 от 28.2.79г.), а также с рядом НИР И ОКР (per.NN 73042589, 74049740, 770622876 и др).

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. Научные цели работы - создание общей концепции и методологии формирования и исследования АД свойств в автономных схемах (от ФЭ и сложнее) с существенно нелинейными обратными связями (ОС), развитие на этой основе усилителей и преобразователей, стабилизаторов и генераторов и других элементов устройств с качественно новыми или расширенными функциональными возможностями.

На пути к этим целям ставились и решались этапные задачи всесторонней разработки нового схемотехнического подхода: использования функциональных непрерывнологических ОС для целенаправленного обогащения свойств ФЭ и схем, а именно для совмещения в них аналоговых и дискретных свойств без пропорционального аппаратурного усложнения, но с. улучшением тех или иных технических или/и эксплуатационных характеристик. Для этого потребовалась:

- Развить физическую (измерительную) интерпретацию аддитивных ОС в автономных ЭС, снять накопившиеся противоречия и неясности.

- Развить единую методологию синтеза и анализа существенно нелинейных (ступенчатых) функционально-логических ОС.

- Довести ее до уровня инженерной практики, компактных методов анализа и рзсчега новых АД сеойств и синтеза АД схем.

- Осуществить их экспериментальную проверку (для верификации теории) и практическую проверку (для подтверждения реальных преимуществ новых решений) в рамках поставленных задач.

Конечными прикладными задачами работы явились разработка и выпуск новых устройств и средств радиоэлектроники, ш внедрение в научное приборостроение (физические. Сиомедицинские исследования), предъявляющее к ним новые быстро расширяющиеся требования.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА достижения указанных целен и задач.

- Исходные положения теоретической электротехники и теории цепей.

- Доработка и уточнение опирающегося на них основного понятийного аппарата и корректной терминологии.

- Современные представления непрерывной, дискретной и гибридных алгебр и логик и опирающихся на ни;; областей схемотехники (например, см. Волгин Л.И. Непрерывная логика и ее схемотехнические применения,- Ульяновск: УГТУ, 1996.- 108с). *[Д13

- Математически© методы анализа устойчивых линейных цепей.

- Геометрический подход: кусочно-линейная (КЛ) графическая аппроксимация основных нелинейных эффектов в реальных схемах -как их внешних свойств, так и внутренних свойств контуров ОС.

- Упрощенные графоаналитические методы анализа внешних свойств таких схем и синтеза их структур.

НА ЗАЩИТУ ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ: концепция формирования комбинированных АД свойств в ЗС с функционально - логическими ступенчатыми ОС, основы теории и схемотехники таких схем.

■ Это поэтапно раскрывается рядом результатов.

1. Разработаны основы дихотомической классификации схем с ОС для определения сферы приложения работы (ее места) в обширной современной схемотехнике и теории нелинейных цепей.

2. Разработан и разносторонне апробирован новый замкнутый способ измерения физических показателей ОС в ЭС.

3. На основе этого способа обобщены физические (измеряемые) свойства аддитивных ОС в схемах различного назначения, включая:

а) систематизацию и уточнение свойств дифференциальной возвратной передачи (ВП) и ее частного случая - контурной передачи, основных показателей, характеризующих ОС в одно- или многоконтурных активных схемах; б) графическую интерпретацию нелинейной ОС как зависимости ВП от полных узловых напряжений контура, управляющих параметрами входящих в него нелинейных компонентов.

4. Развит методологически единый геометрический подход к оценке и реализации аналоговых, дискретных и совмещенных АД свойств в неделимых схемах с НЕЛИНЕЙНЫМИ ОС, включая:

з) обобщенную модель ступенчатой аппроксимации существенно нелинейных зависимостей ВП от напряжений, управляющих нелинейностями;

б) основы синтеза сложных зависимостей ЕП;

в) классификацию основных видов АД функционально-логических ОС;

г) основные принципы их схемотехнического использования.

5. Рззеит единый компактный инженерный метод анализа статики и основ динамики АД схем на ОУ со ступенчатыми ОС, включающий:

а) графоаналитические анализ и синтез сложных статических характеристик (СХ); б) исследование и расчет релаксационных процессов в контурах ОС с функциональными емкостями.

6. Опираясь на разработанные методологию и теорию, созданы новые группы (классы) схемотехнических решений, во многом качественно превосходящие традиционные решения (см. ниже).

ДОСТОВЕРНОСТЬ защищаемых положений обоснована методологически (широко апробированными подходами и математическими методами теоретической электротехники). Она подтверждена экспериментально (измерениями на реальных схемах), схемотехнически (разработан ряд

новых перспективных схемных решений) и практически - внедрением многих из них в производство л реальное использование (см. ниже).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА этих результатов состоит в следующем:

1. Классификации ОС опирается на измеряемые (количественно определяемые) показатели ОС, на уточнение основных понятий и дихотомический (двузначный) принцип сечения областей и подобластей, устраняющий неопределенности и разночтения (в пределах четкости определений признаков, критериев, терминов - см. приложение).

2. Измерения количественных и качественных показателей ОС выполнены с последовательным введением возмущающей ЭДС в замкнутый контур (без его разрыва - условие достоверных измерений в любых схемах с ОС - нелинейных, неустойчивых и др.).

3. Этим более надежным и точным способом физические свойства ОС впервые достоверно исследованы экспериментально в полных диапазонах напряжений для разных классов схем с существенно нелинейными ОС (ступенчатыми ОС в КЛ аппроксимации), в т.ч. неустойчивых.

4. Обобщена и исследована роль ступенчатых зависимостей ВП в формировании и совмещении аналоговых и дискретных свойств в неразделимых контурах функциональных ОС. Сформулированы основные принципы синтеза таких ОС и использования их внешних АД свойств.

5. Новизна образной геометрической методологии и теории (развивающих эффективное схемное мышление) облегчила реализацию многих полезных АД свойств, синтез реализующих их структур и схем.

Новизна и приоритет защищаемых результатов подтверждены изобретениями и/или публикациями, дипломами, наградами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том, что на основе развитых методологического и теоретического подходов предложены принципы создания, методы анализа и синтеза разнообразных схем с функционально-логическими ступенчатыми ОС и АД свойствами. Они апробированы и практически использованы в следующих конкретных группах (классах) схемотехнических решений (обычно с качественными преимуществами и экономией в разработке, производстве или эксплуатации конечных ФЭ, устройств и комплексов, их включающих).

1. Предложены новые экономные варианты использования регенеративных скачков в контурах ступенчатых ОС для автоматического выключения/включения стабилизаторов напряжения (СН), например,при токовых перегрузках - без ухудшение функции стабилизации и без их аппаратурного усложнения. Предложены взаимные порогово-логические связи в группе СН, что расширяет возможности самозащиты и адаптивной самоорганизации многоканальных источников питания (ИП). (

2. Нелинейные и ступенчатые ОС применены для реализации новых АД функций в процессорах аналоговых сигналов (преобразователях, формирователях, генератора}-;). Е том числе: регенеративные скачки

при пороговых сигналах использованы для включения/выключения усилителей, переключения их усиления или/и фазы, получения внешних синхроимпульсов и т.п.; существенно расширен диапазон перестройки частоты в простых И>генераторах при сохранении качества гармонических колебании; предложены компактные легко" перестраиваемые чзстотные полосовые фильтры на этой основе; созданы специальные измерительные устройства для биомедицинских исследований.

3. Создана и исследована группа оригинальных преобразователей аналоговых сигналов с автоматическим переключением динамических диапазонов, сочетающих линейную передачу в отдельных поддиапазонах с цифровым их кодированием. Они представляют новый класс "кодирующих аналоговых процессоров" (КЛП) с целевым интенсивным совмещением в них аналоговых и дискретных функций и операций для расширения их адаптивной гибкости и синергетических возможностей включающих их устройств и систем.

4. Предложены принципы и разработана функциональная схема новой проблемно-ориентированной гибридной ЭВМ для моделирования и анализа сложных кривых (типа спектров). Вылущенная затем малой серией, она показала свою высокую эффективность в различных фундаментальных и прикладных научных исследованиях (см. заключение).

5. На основе АД свойств контуров нелинейных ОС предложены и разработаны новые схемные решения ФЭ и блоков гибридных ЭВМ и приборов с расширенными функциональными возможностями: универсальные и специализированные преобразователи функций (ФП), узлы масштабирования и сложения, коммутации, управления.

СОВОКУПНОСТЬ полученных результатов можно считать основой нового перспективного направления в АД схемотехнине (в теоретическом и прикладном аспектах).

ВНЕДРЕНИЕ результатов работы проходило, в основном, в рамках крупных программ (см.выше) и важных народнохозяйственных задач по созданию современных приборов и высокопроизводительной РЭА для научных исследований. Были разработаны и внедрены в производство: ряды унифицированных ИП, система блоков для исследований электрических характеристик нейронов и мембран, специальная гибридная ЭВМ и др. Большинство их доведены до выпуска (серийно, опытными партиями или ОКР-образцами) и полезных применений в исследованиях по многим крупным научным проблемам. Проявившиеся при этом их функциональные достоинства, производственная или/и эксплуатационная экономия подтверждены актами, наградами, отзывами. Триггерная самозащита реализована в серийных микросхемах К142ЕН.

ПУБЛИКАЦИИ, отражающие научные и практические результаты по тематике диссертации, перечислены в библиографии (см.ниже и [2]):

всего около 60 публикаций по теме, включая 7 изобретений и две монографии (в т.ч. обобщающая [2] - "Наука", 280с., 2700экэ). Некоторые переведены или/и цитированы за рубежом [1,2,15,35,373.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА в научные результаты работы зафиксирован в монографиях [1,23 и большинстве публикаций, выполненных лично. Его существенный вклад во внедрение использующих эти результаты приборов и аппаратуры в производство и в практику и в итоговые коллективные публикации подтвержден в актах, справках, отзывах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации неоднократно представлялись и обсуждались:

1. На международных конференциях,симпозиумах,...(МНТК):

- Научприбор СЭВ (Москва,1978 [383);

- Непрерывные и смежные логики в технике...(Пенза, 1996 [47,483).

2. На Всесоюзных научно-технич. конференциях, школах,...(ВНТК):

- Сессии, посвященные "Дню радио" (Москва: 1962 [10,113, 1968, 1978 [30,363);

- Вторичные источники электропитания (Ленинград, 1970 [213);

- Развитие физиологического приборостроения (Москва, 1968 [233);

- Биологическая и медицинская электроника (Свердловск,1972 [243);

- Автоматизация научных исследований (Владивосток,1973 [273; Бакуриани, 1975; Гатчина, 1977 [393 и др.);

- Технические средства аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники (Кишинев, 1975 [293; Москва, 1977 [283);

- Автоматизация анализа химич.состава веществ (Москва, 1980 [393);

- "Химические сенсоры-89" (Ленинград, 1989 [423);

- Микроэлектронные датчики в машиностроении (Ульяновск,1990 [413);

- Электронные датчики "СЕНСОР-91" (Ленинград, 1991 [433);

- ВНТК по биофизике, биохимии, спектроскопии [25,27,38,39 и др.З.

3. На выставках и ярмарках: ВДНХ СССР (1977), Лейпциг (197580), ведомственные выставки АН СССР и РАН.

4. На ведомственных и региональных НТК, семинарах, совещаниях в Москве, Дубне, Пущине, Ульяновске.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Концепцию совмещения аналоговых и дискретных свойств в неделимых схемах с функционально-логическими ступенчатыми ОС сначала проиллюстрируем на простых примерах, опираясь пока на предварительный подход к классификации множества активных ЭС и РЭА и наш краткие определения основных терминов (приложение).

На рис.1 условно выделены области традиционно аналоговых и дискретных схем (прямоугольники А и Д). Аналоговые (усилители, стабилизаторы, преобразователи,...) имеют обычно относительно плавные СХ. Дкскретние же схемы (импульсные, цифровые,...) реализуют, напротив, скачки напряжений, коды (группы крутых перепадов) и др. Те и другие долгое время развивались почти независимо, в значительной степени в рамках методологии СФП: на каждую функцию схемы - отдельный ФЭ (узел, блок) как элемент ее структуры. Простота понимания и реализации взаимнооднозначного соответствия "функция/ФЭ" обеспечили долгую живучесть СФП в практике.

Когда, например, потребовалось защищать СН от перегрузок по току, им "арифметически" прибавили узел "релейной" (по функции переключения) защиты: от плавкого предохранителя до компарзторно-триггерных ФЭ, "электронных реле" и т.д. Поэтому из полных схем (Ж-традиционных ИП такие узлы можно, в принципе, "вычитать" без особого ущерба для других функций и обеспечивающих их ФЭ.

Ныне для многих разработчиков ИП стали привычными качественно иные СН по механизмам ТРИГГЕРНОЙ САМОЗАЩИТЫ. Для нее не нужны специальные релейные узлы (как в СФП). Вместо них достаточно иногда переключить "всего лишь" одну ветвь (на схеме - см.п.2.2; в голове же до этого должно произойти намного больше сложных идейно-творческих "переключений"). При этом защита от перегрузок действует даже эффективнее (быстрее, надежнее) - немыслимый в СФП результат. Новые адаптивные свойства триггерной самозащиты обеспечиваются более разнообразным АД использованием (рис.2) главного контура ОС. Одни из первых решений таких СН предложены автором [3], разработаны и внедрены в производство и широкую практику с его существенным участием [1,12,20], [2,гл.5,прилож.11.

Схемотехнические детали таких и многих подобных решений, ведущих к явной и часто значительной аппаратурной экономии при "уплотнении" полезных функций, их синергетической "самоорганизации" конкретнее рассмотрены в ч.2. Пока же, отталкиваясь от этого примера, рассмотрим самые общие и важные идеи и теоретические аспекты предлагаемой концепции АД многофункциональности.

- ю

/За

Аналоговые схемы без ОС

±1

Дискретные схемы! без ОС

А

7"

36

36

¿1.

Аналоговые схемы с ОС

Дискретные схемы с ОС

АД

схемы

основе

ступен-

латых

ОС

ГГХ7

Нелинейные ОС

Рис.1. Принципы объединения аналоговых и дискретных свойств (к пояснению основной концепции работы): -I - технологический синтез (общность компонентов); 2 - структурно-функциональный синтез (на каждую функцию имеется отдельный аналоговый или дискретный элемент структуры либо несколько элементов); 3 - использование импульсных (За), релейных (36), запаздывающих (Зв) ОС * для улучшения аналоговых функций и для синтеза аналого-дискрет-ных функций; 4 - синтез аналоговых и дискретных свойств в неделимых схемах на основе ступенчатых аддитивных ОС.

и

и

Яо

а)

и

снОЛ'

б)

О

1

и

яоснИ:

I

Н3

и

V

РЪ ОП^)

» Рт

У<

I Я

0

\

Рис.2. Типичные подходы к формированию ступенчатых разнопо-ляркых ОС; (а) - на основную триггерную 0С+ (/°осн(и)>1) накладывается дополнительная более "сильная" 0С_; (б) - на основную

усилительную ОС

к/,

оси

(и)«1) накладывается более "сильная" ОС

+ •

Чаота 1. ВОПРОСУ КЕТОДШШЯ! И ТЕОРИИ АД гШЩЖШАЛЬНЫХ ОС (*1)

С расширение« применении РЭА росли требования совмещения аналоговых и дискретных функций в схемах и устройствах. До поры это решали в рамках СФП (прямоугольник 2 на рис1). Но ограничения его проявились уже в БОе годы (с развитием ЭВМ и измерительной электроники). С ростом выпуска полупроводниковых приборов (ПП) у их потребителей быстро росли и расходы от расширения номеклатуры: едва не на каждую функцию и применение возникал новый вид ПП (ОСЕЛ в миниатюре). Это вынуждало выбирать меньше, но более универсальные ПП, удовлетворяя ряду аналоговых и дискретных требований. Тенденции такого технологического синтеза (область 1) очевиднее проявились с развитием микроэлектроники. Но и это технологическое дополнение традиционного СФП, к 70м годам перестало удовлетворять усложняющимся требованиям практики из-за "арифметически" растущих габаритов и стоимости РЭА и ввиду снижения надежности и/или увеличения шумов (часто существеннее) с ростом числа элементов. Это побуждало искать пути более органичного синтеза структур со сложными АД свойствами на основе более глубоких идей в сфере ОС ("круговой причинности" в терминах синергетики). (*2)

1.1. Основы классификации (место предлагаемых АД схем с нелинейными ОС в современной радкозлектрошгке)

Многие более глубокие идеи были найдены в обширной области НЕЛИНЕЙНЫХ ОС (большая штрих-пунктирная рамка на рис.1). Взглянем

(*1) Для удобства структура доклада коррелировала с книгой [2] в их основных частях - теоретической и практической. Отсылки к разделам доклада даются кратко (п.1.1, рис.2,...), в отличие от полных отсылок к материалам [23. Учитывая библиографию в [23 и ограничения обьема, в докладе указаны лишь основные публикации.

(*2) Подход автора к обобщению практики аналога-дискретных ОС и к их методологии [30-33] был стимулирован 50-летием изобретения ООС в ламповых усилителях (Г.Блэк,1927). Основные конкретные результаты и вопросы теории опубликованы в [23. Последующее время было использовано для: а) расширения внедрений в производство и в практику; б) методологических обобщений и дооформления работы. Она посвящается очередным крупным и круглым юбилеям: 80-летию изобретения ПОС в ламповом триггере (М.А. Бонч-Бруевич, 1918), 70-летию изобретения ООС и 50-летию русского перевода известной книги Г.Воде по теории ООС в усилителях (1948).

- -

на них через "призму" нашей иерархической классификации множества активных схем [2,с?и. На ее дихотомическом дереве (ветвящемся "на два" по четким признакам) "какие-нибудь" ОС выявляются измерениями физических величин (ФВ) или/и электрических параметров схемы (см.ниже) лишь с третьего сверху уровня.

Например, глубоко разработаны идеи ИМПУЛЬСНЫХ и МОДУЛИРУЕМЫХ ОС, управляемых извне. Их давно используют для улучшения традиционных аналоговых свойств. РЕЛЕЙНЫЕ (имеющих в контуре триггер-но-релейные узлы) и ЗАДЕРЖАННЫЕ (запаздывающие) ОС тоже применяют широко: для стабилизации дрейфа, уменьшения шумов усилителей и интеграторов, повышения КПД стабилизаторов и усилителей мощности и др. [31-33]. Их успешно используют, например, и в различных АЦП и ЦАП. Эти крупные группы ОС (области За,б,в на рис.1) полагаем, в целом, за рамками работы ввиду их неавтономности.

В отличие от упомянутых, нелинейные автономные АДДИТИВНЫЕ ОС до недавнего времени использовали для синтеза АД схем меньше, несмотря на их массовость и "обычность". Хотя они имеют к этому большие возможности и составляют поэтому основной объект работы. Углубимся далее поэтапно в общую методологию таких ОС.

1.2. Намерение и моделирование аддитивных ОС

Уточним сначала круг общих положений электротехники и теории цепей, необходимый для строгости дальнейших выводов.

Примем за основу фундаментальные в электротехнике и схемотехнике ФВ электрических напряжения и тока, их абсолютных значений и малых изменений - СИГНАЛОВ. А также - их отношения, породившие (в разных комбинациях, начиная от закона Ома) производные величины "функций и коэффициентов" схем: сопротивления и импеданса, усиления и крутизны,...Откажемся (из уважения к генераторам или стабилизаторам) от традиционной привязки понятия ОС к входам и выходам схем, чтобы сложное понятие ОС "развести" с простым -ОБРАТНАЯ ВЕТВЬ. Ради "объективной природы ОС в ЗЦ" откажемся здесь и от моделирования схем структурными блоками САУ и графами, ибо они опускают важную специфику ЗЦ и послужили затяжке дискуссии "есть ли и какая именно ОС в катодном повторителе?" [2,с.123. Примем строгие понятия теории цепей, идеальность всех компонентов (в частности источников ЭДС и измерителей напряжений или токов) и теоретическую независимость свойств схемы от заземления любого узла (на практике это не всегда так). Это дополним системой взаимосвязанных определений ключевых для дальнейшего терминов (один из общих методологических результатов работы - приложение).

- 13 -

1.2.1. Традиционные модели ОС в активных схемах

Грамотный радиоинженер быстро укажет в мультивибраторе, стабилизаторе или преобразователе АКТИВНЫЕ контуры ОС по реальным схемным признакам и по их влиянию на внешнее поведение схемы -колебания разной формы, линеаризация внешних СХ,... Подобные проявления нужно увязать с обеспечивающими их процессами в КОНТУРАХ ОС, сопоставляя достоверные ИЗМЕРЕНИЯ показателей первых (общая практика) и вторых (применяется редко, о причинах - ниже).

Термин ВП имеет менее точные предшествующие синонимы:"глубина ОС", "коэффициент ОС", "возвратное отношение" (ВО), "коэффициент регенерации",...Они сложились из представлений об "измерениях" на РАЗОМКНУТОМ "контуре ОС" (фактически из вычислений): между одной стороной разорванной ветви и выбранным базовым узлом (БАЗОЙ) модельных измерений зад<зют независимое ПРЯМОЕ напряжение, а измеряют ВОЗВРАТНОЕ напряжение (ВН) между другой стороной разрыва и той же базой. Несмотря на размыкание (фактически - разрушение) контура ОС, отношение возвратного напряжения к прямому (обычно к заданной ЭДС) принимают за приближенную ВП (с учетом знака/фазы) через выбранную для разрыва ветвь при выбранной базе измерений.

Даже в простых линейных активных схемах (практически редких) получение на такой МОДЕЛИ достоверных данных о контуре ОС требует сложного учета взаимовлияния импедансов обоих сторон разрыва. А в нелинейных схемах учет изменений рабочих режимов и параметров активных компонентов еще сложнее. В ответственных же эксплуатационных режимах динамических устройств с ОС этот способ неприменим вообще (при большой нужде в их исследованиях и контроле).

1.2.2. Замкнутый способ измерения показателей ОС

Этот способ (рис.3) предложен [30,с.8;35], чтобы преодолеть, обойти указанные трудности. Он адекватнее инженерной практике и нашей модели ОС (рис.2 и ниже), значительно упрощает измерения, повышает их надежность и достоверность реальных показателей ОС.

Суть способа в том, что тест-ЭДС вводят в исследуемую ветвь контура ОС на период измерений ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, как е - U12 на рис.За (роль другой макро-ЭДС учтем ниже для нелинейных случаев, полагая пока Е=0). Это сохраняет замкнутость контурз ОС по малому сигналу и естественный режим схемы (ее смещение, устойчивость и др.) Будучи НЕЗАВИСИМОЙ ФВ, тест-ЭДС естественно представляет в возмущенном ею контуре РАЗНОСТНОЕ напряжение. Прямое же и возвратное напряжения (ui3 и игз) здесь ОБА ЗАВИСЯТ от возмущения е (в отличие от традиционного разомкнутого способа).

- 14 - ,

Для активных схем с большой разницей между внутренними про-водимйстями по обе стороны ЭДС (общее требование)

|У131 << 1У2з1 (1)

из второго закона Кирхгофа для малых приращений в контуре 1211.3 их2 + 423 + из! = е + и»3 - щз = О (2)

следует: отношение разностного напряжения 1)12=е к прямому щз

е/щз = (ч13 _ игз)/и1з = 9 (3)

представляет относительную возвратную разность (ВР) - главную в математической теории ОС по Г.Боде. Отношение же зависимых от аргумента возвратного напряжения игэ(е) к прямому ихз(е) равно

1123/1113 = 1 - ф = риз ■ (4)

Оно представляет ВП как физически (измеряемое в естественном режиме отношение напряжений), так и в математической связи с ВР.

Не забывая о ьзаимосвнзи (.4) этих дифференциальных величин, далее сосредоточимся на свойствах и применении ВП, более принятой в инженерной практике. Нижними индексами будем обозначать, как в (4): первым римским - выбранное место для введения возмущающей ЭДС с учетом ее направления (стрелка на рис.За); вторым арабским - узел, выбранный базой измерений (чаще это общий вывод ОУ).

Источник возмущающей ЭДС пока полагали идеальным. С учетом конечного его импеданса (г*пунктиром на рис.За), функции р и <р, характеризующие ОС, получаются из (3), (4) с методической погрешностью, учитывающей глубину неравенства (1), порядка

б - |у1з(1 + гвУ2з)/У2з1 ■ (5)

Технические варианты последовательного введения в контур ОС независимой "плавающей" тес-т-ЭДС и регулировки ее параметров очень разнообразны [35]. Способ позволяет определять амплитудными измерениями АЧХ р(0)) и даже фазу ВП именно в ЗАМКНУТОМ контуре (меняя частоту гармоничного тест-сигнала), позволяет оценивать реальную ВП даже в колебательных контурах [2,с.190]. Подобные преимущества убедительнее в многоконтурных или нелинейных схемах, когда нельзя размыкать отдельные контуры из-за нарушения режимов работы.

1.3. Физические аспекты аддитивных ОС

1.3.1. Свойства ВП в линейных схемах

Предложенный способ помог уточнить и упорядочить физическую трактовку аддитивных ОС, наиболее массовых в схемотехнике. Его проверка на разных схемах позволила корректно увязать физику с методологией и математикой [2,гл1;30]. Обобщено содержание понятия ВП для разных классов ЗЦ. Рассмотрены топологические свойства ВП: связь результатов со структурой схем, с выбором базы измерений,

места и ориентации тест-ЭДС и др. Рассмотрены свойства ОТ в линейных пассивных схемах. Исследования свойств ВП активных схемах привели к следующим основным выводам.

В одноконтурных схемах сущность ОС выражается наибольшей (по модулю) полной ВП (передачей контура ОС), измеренной через конструктивные вход шш выход любого активного (невзаимного, усилительного) компонента относительно его общего вывода.

Безразмерная функция полной ВП в устойчивых контурах подчиняется общему в теории цепей ограничению

Retpb.q(s)] =■ Tib.а < 1 - > 0), (6)

(в резистивных устойчивых схемах рь,q < 1). Такая корректная мера одноконтурных ОС не зависит от физического заземления схемы, от способов подключения измерителей, от узлов (ветвей) приложения и сьема функциональных сигналов и от... желаний исследователя. Это позволило снять некоторые противоречия в литературе, например, относительно "ОС в катодном (эмиттерном) повторителе" [2,с.123. Принцип же "совместности отрицательной (00С) и положительной (ПОС) обратных связей" (сформулированный Л.И. Волгиным) проиллюстрирован явной зависимостью результатов от топологии измерений (от выбора базы, ветви, направления обхода контура). В итоге уточнены определения важных терминов.

В многоконтурных схемах (в т.ч. неустойчивых) измерения ЕП через разные активные компоненты могут давать объективно разные результаты. Это отвечает и сложности физического явления ОС в них, и разнообразию его математических интерпретаций [2, с.433. Но понятие ВП сохраняет силу, вместе с необходимостью учитывать несколько ВП [2,с.383, даже их матрицу. Базой же для корректных измерений отдельных ВП должны быть общие узлы трехполюсников (0У).

1.3.2. Практическая трактовка нелинейных ОС

Нелинейная аддитивная ОС от такой корректной линейной (локальной) оснобы трактуется как непостоянная зависимость ВП через активный компонент от некоторых узловых напряжений, УПРАВЛЯЮЩИХ его нелинейными параметрами. И такую зависимость, оказывается, можно измерять замкнутым способом, даже по двум вариантам.

1. При е-0 и нулевых начальных значениях полных напряжений Ч13нач - ^гзнач = 0 . используемых как начзло координат (рис.36,в), измеряют пары значений Ui3(E) и игз(Е), задавая Е*0 и нанося соответствующие точки на грзфик. Полученную параметрическую кривую (с параметром Е) можно рассматривать как явную одномерную зависимость и>гз(и1з)» представляющую СХ ЗАМКНУТОГО нелинейного контура ОС. Она отлича-

ется от СХ разомкнутого контура (,в том же диапазоне напряжений, в том же направлении) близкими к рабочему режиму условиями. Часто это имеет решающее значение для нелинейных устройств. Графическое дифференцирование этой КОНТУРНОЙ СХ дает искомую зависимость

5и->э/5и1з = Р . (V)

2. При наличии в контуре малой е*0, строится, помимо СХ по п.1, другой график из параметрических точек Ш1э,игэ(Е)/и1з(Е)]. Если вторую координату (локальную ВП как отношение малых приращений р«игз/и1э) откладывать по вертикали, то получим явную зависимость ВП от "входного" макроаргумента и^з. Отношение игз'Чз можно откладывать и по горизонтали, рассматривая график р(1)2з) как явную зависимость ВП от "выходного" макроаргумента и^з-

Уровень достоверности и погрешностей таких макро-измерений определяет глубина более общего, чем (1), интегрального критерия

1вх <<; 1вых , (В)

то есть наихудшего соотношения полных входных и нагрузочных токов для всего диапазона измерений). С учетом этого, варианты 1 и £ дают практически одну зависимость ВП, характеризующую нелинейную ОС в исследуемом контуре качественно и количественно. |

Физическими причинами резких перегибов макро-характеристик контура ОС и всей схемы обычно служат переключение диодных ветвей либо нелинейность (насыщение или/и отсечка) каскадов (в т.ч. на ОУ) под влиянием их полных выходных напряжений. Зависимости ВП от таких УПРАВЛЯВДИХ напряжений нагляднее выявляют связь процессов и событий в нелинейном контуре: показывают не только КАК изменяется ВП в полном диапазоне, но и ПОЧЕМУ изменяется, вплоть до того, КАКИЕ параметры компонентов обуславливают эти изменения и КАКИЕ переменные на это влияют. Поэтому в работе при объяснении и использовании сложного поведения нелинейных ОС чаще даны зависимости ВП от еыходных напряжений. Их обычно удобнее строить вдоль вертикальной оси - для наглядной связи с внешними СХ всей схемы.

1.4. Основы методологии исследования и использования

АД функционально-логических ОП 1.4.1. Дискретно-ступенчатая аппроксимация зависимостей ВП

Такая аппроксимация (пунктирная линия р(1)2э) на рис.3.в) естественно следует из КЛ аппроксимации свойств нелинейных компонентов и полной СХ контура - см. линию 1)23(1)13). Это общепринятый на практике прием. Поэтому в работе широко используются СТУПЕНЧАТЫЕ зависимости ВП (далее модель СВП или просто СВП) от аргументов - напряжений, управляющих нелинейными компонентами, чаще всего от выходных напряжений. ПОРОГИ аргумента (граничные значения 1)ез в

точках "а" и "Ь" на рис.Зв) и УРОВНИ ВП однозначно связаны с переломами контурной СХ. Они могут Сыть легко описаны ступенчатыми зависимостями или таблично (удобно для расчетов на ЭВМ). Особенно ценно, что ГРАФИЧЕСКИЕ зависимости СВП (модели СЕЛ, см. рис.2) удачно сочетают простоту и наглядность с рядом методологических достоинств (удовлетворяя противоречивым требованиям к моделям).

Они имеют дело с исходным замкнутым контуром ОС (контурами в многоконтурных схемах) - структурной основой, "каркасом" самых различных схем с ОС. Именно он обеспечивает наиболее важные свойства схем: стабильность, линейность, точность (при "холодных" 00С) или регенеративные скачки и автоколебаниям (при "горячих" ПОС), а также - способность ПЕРЕХОДИТЬ от аналоговых свойств к дискретным и обратно (особенно важно). Входные и выходные узлы лишь дополняют эти свойства (оформляют юс в нужные ФВ, масштаб, код), иногда они излишни (некоторые генераторы, стабилизаторы).

Свобода обратимых переходов между привычно противоположными свойствами в едином автономном контуре нелинейной аддитивной ОС названа ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКОЙ ОС. Термин указывает на качественное, "синергетическое" саморегулирование функций контура при некоторых сочетаниях условий в нем (логике порогов или/и входов). Это имеет решающее значение для совмещения аналоговых и дискретных функций, т.е. для всей нашей АД концепции.

Далее, модель СВП основана на измерениях в малоизмененной (с поправкой на малосигнальные возмущения) схеме, т.е. на надежных и достоверных данных ("хотя бы" для инженерной практики).

Зависимости СВП в типичных случаях однозначны относительно управляющих аргументов (даже при регенеративном поведении контура) , часто объясняя целое семейство внешних СХ. Они стационарны, не меняются во времени. Это упрощает и повышает эффективность их применения при анализе динамики схем (см.ниже).

В ЦЕЛОМ ЖЕ внешняя простота модели СВП переходит в большую информативность и эвристичность. позволяя целиком и "сразу" увидеть геометрический образ сложного, изменяющегося поведения активного контура ОС - основы схемы, связь его поведения с нелинейными параметрами схемы, с рабочей точкой, с воздействиями внешних сигналов или нагрузки. Это стимулировало схемотехнические АД приложения функционально-логических ОС (ч.2) и углубление их теории. При этом СВП-модели и КЛ СХ хорошо совмещаются с общим аппаратом непрерывной, комплементарной и смежных логик (алгебр) [Д13.

Для схем с простыми диодными ключами погрешности применения моделей СВП могут достигать 10-30Х во всем диапазоне ( локально и более). Эта слабость, общая для КЛ моделей, оправдана экономией

труда, времени в экспресс-анализе, инженерных расчетах. При нужде можно перейти к гладким моделям (с усложнением массивов данных, раочетов на ЭВМ и т.д.). Для схем же на точных ключах (самых перспективных, ч.2) модели СВП являются практически точными (погрешности ниже IX) и прямо сочетаются со строгими методами.

1.4.2. Основы методологии АД функционагано-логических ОС От изобретения лампового триггера (М.А.Бонч-Бруевич, 191Эг) бесчисленные дискретные схемы и устройства используют простейшую ТРИГГЕРНУЮ ПОС (акцент на функцию). Сущность ее в надкритической ВП>1, что вызывает триггерные скачки. Взглянем внимательнее на среднюю диаграмму рис.2а, показывающую "изменения ОС" в полном цикле триггера. Фаговая точка Ш,р(и)] (напряжение и зависящая от него ВП), "пробегая" весь триггерный уровень (при "скачке" в любую сторону), всегда возвращается к нулевым значениям ВП (кружки "О" и "1" устойчивых состояниий триггера). Этим уточним:

а) нулевые уровни модели СВП для триггера так же важны, как и основной регенеративный уровень, ибо спад ВП до нуля прекращает триггерные скачки ("ПОС выключается" от САМОорганизации контура);

б) сущность триггерной ОС состоит, выходит, в полной СТУПЕНЧАТОЙ зависимости ВП (в упрощенной апроксимации, конечно);

в) ЛОГИЧЕСКИЙ аспект такой ПОС - в ее "способности" САМОвыключать/включать основной регенеративный уровень ВП (при определенных ситуациях в активном контуре ОС и всей схеме);

г) триггерная ПОС представляет, таким образом, простейший (почти "тривиальный", но методологически важный) пример ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ (по назначению), ЛОГИЧЕСКОЙ (по механизму переключения), СТУПЕНЧАТОЙ (по геометрическому представлению обоих этих аспектов) ОС.

Это поясняет детализацию и упорядочение терминов (приложение).

С изобретения СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ 00С в усилителях (Г.Блэк,1927) она используется в большинстве аналоговых устройств высокого качества. Ее модель СВП в полном диапазоне тоже может быть выражена прямоугольным графиком (левый на рис.20): помимо основного линеаризующего уровня ВП, занимающего почти весь амплитудный диапазон, на его концах ВП обычно столь же резко (как у триггера) изменяется до нуля, что прекращает линеаризующее действие ООС. Можно и об этом сказать, что ООС "САМОвыключается". Полные графики ПОС и ООС на рис.2 симметрично выражают их методологическое единство.

Из сопоставления этих двух примеров следуют важные положения. А. Изменение ВП от любых конечных значений до нуля и обратно существенно меняет внутренее поведение контура ОС и внешние его проявления (в функциях схемы с ОС). Или более общий вывод...

Б. Резкие изменения ВП между любыми двумя значениями (уровнями) должны приводить к существенным изменениям свойств контура ОС и всей схемы (многократно показано в ч.2).

Далее по логической дедукции можно сформулировать ключевые для нашей АД концепции идеи ("идейное ядро" работы):

В. Если объединить две простейших ступенчатых ОС (триггерную и усилительную) в единую, переключая (теми или иными приемами) величину ВП между положительными и отрицательными уровнями в рамках единой схемы с общим контуром ОС, то можно ожидать от такой схемы проявления как аналоговых, так и дискретных свойств.

Г. Как увидим, это возможно и в НЕРАЗДЕЛИМЫХ одноконтурных схемах (с незначительной модификацией довольно привычных контуров ОС) - их невозможно разделить на узлы, ответственные за отдельные функции (т.е. разбить на отдельные ФЭ в традиции СФП).

Такая методология позволяет развить и дихотомическую классификацию по отношению к нацеленности СВП-иоделей на уплотнение АД функций и к положению схем с функционально-логическими ОС как во всей схемотехнике (рис.1), так и в области нелинейных ОС (пунктирный прямоугольник 4). Перспективы расширения этой области, ее внутреннее дробление и полезные реализации будут раскрыты ниже. 1.4.3. О синтезе сложных ступенчатых зависимостей ВП Поясним обобщенно основные подходы к этому, ориентируясь пока на рис.2 и наиболее массовую простую двухконтурную схему (рио.4а) с обратными ветвями на оба входа ОУ. Их вклад в полную ВП (меру общей ОС) может быть измерен, например, на выходе ОУ [2,с.373.

А. На протяженный основной положительный уровень ВП (рис.2а, триггерная НОС) накладывается дополнительный более узкий (вдоль вертикали) и более высокий (по горизонтали) отрицательный выступ (выступы) ВП - более сильная стабилизирующая ООС, в соответствии с выражениями непрерывной логики:

1 < Роен. Роен " 1 < 1Рдоп! • (9)

В результате совмещенного действия обоих ОС в середине диапазона триггерные свойства будут подавлены стабилизирующими. Зависимость полной ВП получает среднюю зону устойчивых состояний (кроме верхнего и нижнего концов) и два регенеративных участка. Полезно для двух- или трех-функциональных АД схем (пример - СН с самозащитой), Б. Обратный подход (рис.26): на основной протяженный отрицательный уровень ВП (стабилизирующая ОС) накладываются более высокие и узкие выступы (выступ) положительной ВП (за счет более сильной ПОС) в соответствии с неравенствами

Роен << 0 , 1 + IРоенI < Рдоп, (Ю)

Полная модель СВП (справа) обретает три протяженных устойчивых и

два регенеративных участка. Может быть использована в 2-5 функци- i ональных многозначных схемах (примеры в ч.2).

Общее в обоих подходах: модель СЕЛ (правые графики на рис.2а,б) содержит сразу отрицательные (линеаризующие) и положительные (в частности, триггерные) уровни ВП. Они будут определять аналоговые (точность передачи, стабильность,...) или/и дискретные (скачки нужных амплитуд и длительностей, импульсы, коды) функции на отдельных участках полного диапазона схем с такими ОС.

Координаты переходов между отдельными уровнями ВП определяются довольно простыми связями между управляющими напряжениями и управляемыми параметрами резко нелинейных компонентов контура (Ue и диоды на рис.4а). Высота же уровней ВП (по горизонтали на рис.2) определяется усилительными параметрами активных компонентов (чаще - ОУ) и/или резистивными масштабирующим делителями.

Возможны другие ориентации аргумента и значений ВП на графиках и гираздо более раэншОрагныу сочетании уровней ВП и устойчивых участков, если в контур ОС помещать более сложные нелинейные элементы, чем диоды. Так, в схемах на точных ограничителях можно точно менять знак и калиброванные значения ВП (п2.3).

Показанные подходы и примеры поясняют (пока кратко) сущность концепции АД многофункциональности как совмещение аналоговых и дискретных функций даже на простых контурах функционально-логических ступенчатых ОС, я также перопрктивы развития на их основе новых классов и групп ФЭ и схем. В многозвенных и многоконтурных схемах эвристические возможности методологии быстро растут (пп2.4). Ее вариации будут далее расширяться и углубляться.

1.4.4. Классификация основных видов АД функционально-логических ОС

Отталкиваясь от модели СВП, углубим общую классификацию АД схемотехники (рис.1) и дихотомическую классификацию видов ОС' ближе к основному предмету - АД автономным ОС (С2,с.71-табл.13). На пятом уровне СЕМЕЙСТВО 0111 (схемы, допускающие модель СВП) разделим на два РОДА по признаку "комплексности" ОС: род 01110 (50) - схемы с резистивными ОС и поведением,"не зависящим" от времени (регенеративные скачки полагаем "мгновенными");

род 01111 (51) - контуры ОС с запроектированными "генеральными" динамическими свойствами (колебательными, релаксационными).

Шестой уровень разобьем на пары ВИДОВ в каждом роде: "О" - контуры без регенеративных участков ВП, соответствуют однофункциональным ОС в большинстве привычных устойчивых схем;

"1" - ОС с регенеративными участками и многоуровневыми моделями СВП, соответствуют малоизвестным и новым АД схемам и устройствам.

В поле зрения далее будут четыре вида со следующими кодами (первым дан крзткий условный) и словесными определениями (общая их часть приведена в скобках один раз для первого вида):

500 (011100) - [Автономные схемы о нелинейными ОС, вещественная часть которых представима ступенчатыми зависимостями ВП (модель СВП хоть на части диапазона)]: резистивные с однозначными СХ;

510 (011110) - [...(.,.)]: комплексные устойчивые;

501 (011101) - [...(...)]: резистивные с многозначными СХ и регенеративными скачками;

511 (011111) - [...(...)]: комплексные неустойчивые.

Эти виды составляют формально малую часть всей классификации. Но охватывают очень много уже реализованных схем и устройств (о разветвленной схемотехнической практике см. [2,31-333,[Д13 и библиографию). Триггерная самозащита СН это типичный их пример (сейчас кажущийся обычным), с которого зародилась наша концепция.

Далее наибольшее внимание уделим подобным многофункциональным АД схемам с двумя и более функциями (и зонами устойчивых состояний), имеющими регенеративные уровни в зависимостях ВП.

1.4.5. Принципы АД схемотехнического использования функционально-логических ОС

Дальнейшее деление внутри родов 50 и 51 и их видов наметим, опираясь на АД принципы СХЕМНОГО использования ступенчатых ОС.

ПЕРВЫЙ АД ПРИНЦИП. Использование ступенчатых 00С или ПОС для улучшения или расширения аналоговых или дискретных функций схемы.

Один из классических примеров: ступенчатая 00С через диод в ненасыщенном триггере для повышения быстродействия (Б.Н.Кононов.. 1957 [2,рис2.7]). Более современный, но тоже классический уже пример: отсекающая диодная 00С в ОУ точных ограничителей для линеаризации их внешних СХ [2,рис.2.8]. Наши реализации - в п.2.2.

ВТОРОЙ АД ПРИНЦИП. Сложные внешние СХ с регенеративным гистерезисом используют целиком: наклонные устойчивые участки - для аналоговых функций (усиление, линеаризация, стабилизация,...), а регенеративные скачки - для дополнительных дискретных функции (смена режимов, формирование фронтов, импульсов, кодов,...).

Классический уже пример - СН с триггерной самозащитой (п.2.1). Другие примера'- усилители с релаксационными свойствами [2-гл.З,4;22]. У всех них ступенчатая разнополярная ОС сформирована более полным использованием имеющихся в контуре р-п переходов. Это создает дополнительные дискретные функции без ухудшения основных аналоговых функций и без апаратурных усложнений.

ТРЕТИЙ АД ПРИНЦИП. Совместно с точными СХ различных видов (в схемах на точных ключах) для дополнительных дискретных функций

используют крутые перепады напряжений на внутренних узлах контура ОС (смена кодов при переломах СХ) или импульсы и их пакеты, соответствующие отдельным участкам СХ. При этом основная ОС не обязательно двухполярная, но тоже существенно ступенчатая. Новый класс АД преобразователей на этом принципе [36,373 освещается в п. 2.3.

Эти принципы по отдельности проявляются обычно в схемах и устройствах масштабов ФЭ (триггер, стабилизатор, усилитель,...). Возможны и различные их комбинации в более сложных схемах (п.2.4). Развитие схемотехники и компонентной базы стимулируют создание миниатюрных и микроэлектронных вариантов [40-45].

1.5. Инженерный метод анализа схем с АД ступенчатыми ОС

При простых основных принципах и методологии излагаемая АД концепция не тривиальна в практических "деталях". Большинство реально полезных и интересных схем в ее рамках резко нелинейны, с неустойчивыми состояниями. Они трудны и для общей теории цепей, и для "расходящихся" алгоритмов ЭВМ, и для эмпирических поисков вслепую. Это оправдывает углубление методологии и теории, разработку инженерных (простых, эффективных) методов анализа и расчета наиболее характерных АД схем с функционально-логическими ступенчатыми ОС с ориентацией на практические и новационные задачи.

1.5.1. Графоаналитическое построение и анализ КЛ сложных СХ

Излагаемый инженерный метод исследования статики АД преобразователей предполагает известными их структуру и КЛ характеристик всех активных и нелинейных компонентов. Основная задача метода -экономно и быстро построить графически функцию преобразования

У = Г(Х) СИ)

в предположении ее более общих и более сложных форм, чем просто усилительная (с ограничениями) или просто триггерная.

Сущность метода состоит в последовательном выполнении ряда типоеых этапов (поясняются кратко на примере схемы рис.4а)[2,гл.З]

1. Получение в общем аналитическом виде полной замкнутой системы нелинейных уравнений схемы (исходя из уравнений Кирхгофа).

2. Ее разрешение (приведение к явному виду) относительно входной переменной (см. 41(1!е) на рис.46) или линейно с ней связанной.

3. Графическое построение такой явной зависимости Х(У) - ОБРАЩЕН-ННОЙ СХ (типичная процедура поясняется внизу рис.46).

Обычно однозначные относительно обращенного аргумента У и поэтому легче получаемые графически, подобные функции далеко не всегда реализуемы физически (см. ниже).

4. Повторное обращение - РАССМОТРЕНИЕ того же графика как основы искомой внешней СХ У(Х) с мысленным возвратом к исходным аргументу X и Функции У (линии 1-3 на рио.4б относительно оои иа).

Б. Аналив физической реализуемости отдельных участков вившей СХ (прежде всего, с обратным наклоном и иными особыми признаками).

Для этого привлекаем зависимость р(У) полной ВП. Она объясняет особое поведение контура ОС (заштрихованный уровень на рис.4г поясняет неустойчивость диаганоли М с обратным наклоном).

6. Дополнительные алгебраические расчеты параметров полной СХ, например, координат ее узловых точек (а,Ь,с,<Э на рис.46) если это необходимо для большей точности или специальных целей.

Отдельные этапы часто могут быть опущены. Во многих случаях метод сводится к центральным геометрическим этапам 3,4. Их легкость, компактность, наглядность - основа метода.

Экспериментальная проверка метода на схеме рис.4а и многих подобных [2] показала расхождения с теорией обычно в пределах 10-20Х. Это удовлетворительно для многих задач (учитывая экономность КЛ апроксимации характеристик). Для схем же на точных ключах метод дает практически точные СХ (погрешности в пределах 1-2Т.).

Метод помог также получить ряд обобщений и новые результаты. Например, показана возможность минимизация регенеративного гистерезиса по некоторым показателям [2,с106]. Эвристичность метода, его помощь в синтезе и комбинированном АД использовании гистере-зисных СХ эффективнее проявляются в более сложных примерах (ч.2).

1.5.2. Основы динамики схем с гистереаисными СХ

Предыдущий графоаналитический метод взят основой инженерной методики исследования релаксационных процессов в АД схемах на ОУ с емкостными контурами ОС. Полезность такого подхода была показана школой А.А.Андронова еще на ламповых мультивибраторах [2,с.120]. Сущность методики состоит в ряде последовательных этапов, в основном графических (излагаются на примере той же схемы рис.4, но уже с функциональной емкостью С в нижнем контуре ПОС).

1. ЗАМЕЩЕНИЕ (мысленное или фактическое - в эксперименте) емкости С на независимый источник ЭДС. Этим релаксационная (динамическая) схема сводится к резистивноыу (статическому) прототипу, сохраняющему замкнутый контур ОС и все его нелинейные компоненты.

2. Построение предыдущим методом (или измерение по п.1.3.2) специальной ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СХ, связывающей выходное напряжение схемы с напряжением на емкости - 1!б(иб5) для схемы рис.4а.

3. Исследование В СТАТИКЕ областей неоднозначности и неустойчивости промежуточной СХ, привлекая зависисимость ВП (и, если потребуется, математическую интуицию и практический опыт).

4. ВОЗВРАТ к исходной емкостной схеме - обратным замещением временно независимой ЭДС на функциональную емкость.

5. Построение оОщей картины релаксационного процесса как полной или частичной развертки промежуточной СХ на ось времени.

В. Количественная оценка (если требуется) отдельных этапов релаксации (длительности импульсов), исходя из линейных уравнений состояния для этих этапов и начальных и конечных условий.

Опыт школы А.А.Андронова в этой методике адаптирован к современным схемам на ОУ с более сложными ОС и АД комбинациями функций и доведен до четких рекомендаций об использовании графических приемов на статических характеристиках. Их информативность помогает выявить сложное поведение схемы во времени У^) = Г[1:,Х((:)3 быстрее и легче, по сравнению с составлением и решением общей формы нелинейного уравнения состояния = ГШС,Х(1)].

Экспериментальная проверка на схеме рис.4а и других объектах в разных режимах [2,с.128-143,4.23 показала приемлемую точность методики (20-30% при КЛ аппроксимации характеристик), ее практичность для оперативных инженерных применений.

Идущие релаксационные процессы удобно исследовать этой же методикой обхода изображающей точкой (У, 11с) промежуточной гисте-резисной СХ , только обхода однократного и неполного (незамкнутый цикл), вызванного внешним импульсом запуска (2,с.132].

Новые половике факты установлены и исследованы с помощью этой методики: выявлены поддиапазоны смещений (и границы между ними) , соответствующие автоколебательным или ждущим релаксационным процессам; исследованы эффективные и экономные способы управления амплитудными и временными показателями этих процессов, показана в частности возможность приближения к нулевому "мертвому времени" между соседними запусками;..Л2,рис.4.9].

Комбинирование линейных и импульсных функций по второму АД принципу может быть даже более разнообразным, чем у статических прототипов (некоторые примеры и перспективы в п.2.2 [2,п.4.63).

В ЗАКЛЮЧЕНИЕ о методе в целом можно кратко перефразировать поговорку: "прост и мал, но удал". Особенно для предварительного анализа "здесь и сейчас": а) относительно простых схем; б) когда общая теория цепей и ЭВМ "почему-то" оказываются неэффективными (недоступны, неприменимы, нет данных, времени,...). Важная его интеллектуальная функция - развитие эффективного схемного мышления (визуальными образами) и геометрической теории цепей.

Рис.3. Измерение показателей ОС с последовательным введением тест-ЭДС в выделенную ветвь контура (.а"». Существенно нелинейные зависимости ВП и СХ в полном диапазоне схемы (в4}. Квазилинейное их представление в окрестности нуля в растянутом масштабе (.<51.

Рис.4. Типовая схема с нелинейной ОС (а), построение ее внешней СХ (б), контурной СХ (в) и ступенчатой зависимости возвратной передачи (г). Параметры: ОУ - типа К153УД1А; Д^, Д2 -типа Д220; Д3 - типа КС162А; Я.,« = ^ = 5 кОм, й2» 1^ = 10 кОМ; с1 - замкнута, с2 - отсутствует.

-е/

¡1 1

а)

6)

ад 2

_¿_

/ Жн,

\9

г-

иФъ Г

й-

21

:1£

/

Рис.5. СН с триггерчой самозащитой от перегрузок (.а"). Его гистерезисные нагрузочные СХ и ступенчатая зависимость ВП в главном контуре нелинейной ОС, формирующая АД свойства (,<Я

в*, п----г

-«.---

Рис 6 Схема типовой ячейки (а) и формируемые ею точные

_ /IV / > \____V поло мофпот- Е, м К. ПТГЛ/ТГ'.'Г'ТПЛПТ.

к;/н=15, к,/И- 10 (.ФУНКЦИЯ ¿г, 2 «1 = Г

&с/й* Ю (функция 3). Пример преобразователя с последс вательным соедшением нескольких ячеек, охваченных общей ОС (в).

Часть 2. СХЕШГЕХННКА И ПРШЕНЕНИЯ АД ЙШКЩХИАЛЫИХ ОС

На основе изложенных теоретических и методических результатов предложены принципы построения многих ФЭ и схем с функционально-логическими ступенчатыми ОС и АД свойствами в ряде областей АД схемотехники [2,гл.5-83. Некоторые иллюстрации ниже обосновывают главный практический вывод работы; показанные АД свойства полезны и доступны, обеспечивают существенные качественные преимущества (по сравнению с традиционными подходами) и их целесообразно применять в приборах и аппаратуре самого разного назначения.

2.1. Трнггерная самоааоргга в стабилизаторах напряжения

Некоторые ее решения предложены и исследованы автором [1;123 и широко апробированы С20;2,придож.13. В них второй АД принцип (п.1.4.5) реализован специальной организацией контуров ступенчатых ОС. Последние охватывают один или несколько аналоговых СН, обеспечивая им новые дискретные свойства самозащиты от перегрузок по току и адаптации к иным нештатным ситуациям.

Слоядаая тржтераал самозащита в последовательном СН допускает богатый выбор и регулировку свойств самозащиты (рис.5). Варианты "А" и"Е" подключения ветви Ш определяют разную высоту участка ограничения тока. Принятый для серийных ИП вариант "Б" обеспечивает лучшие защиту силовых транзисторов по мощности и регулировку основных пороговых точек СХ. Использование ключевых свойств Т1-ТЗ позволяет (без ущерба для стабильности) получить сложную ступенчатую зависимость ВП - р(ин) слева на рис.56 (для СН 12 В). Ее надкритический выступ р+ как раз придает СН новую функции - скачкообразное выключение тока при опасных перегрузках.

Взаимная трнггерная самозалугга группы СН, объединенных в многоканальную систему электропитания, - дальнейшее углубление в использовании адаптивных непрерывно-логических функций [4,213.

Взаимосвязи каналов по защите могут быть очень разнообразны. При прямых связях один СН, отключаясь от собственных перегрузок, автоматически отключает другие СН. При связях по кольцу каждый СН при самовыключении выключает и соседа (а тот - своего соседа и т.д. [2,с.1783). Такая структура способна к самовыключению всех СН при исчезновении напряжения нз любом силовом выходе как от перегрузок, так и по иным причинам. Возможны иные логические связи каналов, в зависимости от их числа и соединений их сшговых цепей. Это улучшает взрывобезопасность системы питания и ее гибкость, например при обеспечении горячего резерва.

Детально проработаны схемотехника реализации самозащиты -логические выключающие ветви, оптимизация их соединений, оценка и

формирование порогов и/или скоростей выключения, способы включения каналов, а также методики ее использования [1;2,гл.53.

Опыт эксплуатации рядов унифицированных ИП [20;25] подтвердил полезность новых функций самозащиты (без ухудшения весогабаритов, стабильности, к.п.д. и других общих показателей). Снижается стоимость изделий и их эксплуатации - за счет повышения ее надежности и удобства. Широкая и длительная апробация этих результатов в транзисторной научной аппаратуре [2,прилож 2,31, содействовала освоению разных вариантов триггерной самозащиты в серийных изделия Минприбора и Минрадиопрома СССР (см. заключение), а также в интегральных микросхемах К157ХП2 и К142ЕН (модификации 3,4,5,10 не имеют зарубежных аналогов по этой характеристике).

Перспектива этих и подобных возможностей второго АД принципа расширяются при дальнейшей компактизации РЭА, приближении мадо-ыощных СН к нагрузкам (для помехоустойчивости). Это облегчает адаптивную самоорганизацию шш/и внешнее программное управление штатным или аварийным отключением/включением каналов, хорошо подходит для развития микроэлектронных реализаций и т.д.

2.2. Боаношости ступенчатых ОС в измерительной технике

Из разнообразных применений дискретных свойств в привычных "линейных" усилителях и преобразователях спектрометрии [2,гл.6;7; 223 осветим пару крайних примеров, КАК ступенчатые ОС улучшают или/и расширяют аналоговые свойства универсальных ФЭ, так и узкоспециальных проблемноориентированных устройств (внедренных).

Егдэдкодтпааоннив ВС-генераторы гармонических напряжений на мосте Вина с дополнительной пороговой диодной обратной ветвью имеют расширенную перестройку частоты (0.2Гц-200КГц или 0,01-ЮООГц) при сохранении стабильности амплитуды и малых нелинейных искажениях [2,прилож.2.2;263. Эти улучшения обусловлены использованием пульсирующего действия ступенчатой ОС [2,с.1853.

Нелинейные полосовые фильтры с перестройкой частоты в тех же диапазонах, используя подкритичные (устойчивые) режимы предыдущих устройств, имеют АЧХ с уплощенной верхней частью, что свойственно более сложным устройствам. Ступенчатое уменьшение полной ВП при околопороговых сигналах ограничивает рост АЧХ, превращай ее из резонансной в квазиполосовую. Эти ФЭ были использованы для экспериментальных проверок замкнутого способа измерения ВП, в т.ч. комплексных значений ВП в колебательных режимах.

Система топовых блоков для исследования электрических свойств клеток и биологических мембран [2-прилож.2.3,2.4;253 разработана для гибкой комплектации измерительных трактов РЭА в биофизике,

электрофизиологии и смежных областях. Система реализует компромисс требований функциональной полноты, метрологических качеств, экономичности, простоты производства и эксплуатации. Он достигнут благодаря многофункциональности, совмещению АД свойств в большинстве ФЭ и устройств системы: лабораторных и автономных Ш1 (см. выше), блоков управления и калибровки, усилителей (ниже).

Предварлтчиэ ниэ алептроиетричэскка усилители - важные ©Э в большинстве комплектов РЭА сталкиваются с проблемным противоречием между требуемыми от них чувствительностью (единицы мВ) и полосой пропускания (1000Гц и вьше при сопротивлениях источника сигнала до 100 МОм и шунтирующих его емкостях до 10 пФ). Противоречие решено корректирующей емкостной ПОС и разработанной фазовой методикой ее расчета [2,с.195;23;24]. Предусилители на современных компонентах имеют реальное расширение полосы в 50-100 раз (относительно RC-постоянной входа). Компактность, надежность, точность (2-SZ по состоянию настройки) и экономичность способствовали широкому их использованию в различных комплектах [2, прилож.2.4].

Клаып-устраЛство для стабилизации и управления напряжением на клеточных и искусственных мембранах - методически сложный комплект, применяемый во многих фундаментальных и прикладных исследованиях (от биофизики и биотехнологий [393 до нейронных сетей [45473). Кроме трудностей с предусилителями здесь проблемны большие изменения параметров мембран (даже у одной достигают 5 порядков). С этим связаны: необходимость измерять в динамических режимах (на мембранах нейронов) большие перепады токов через мембрану ЦО"10---"5 А), вопросы устойчивости и т.д. Компромисс был найден введением в главный контур стабилизирующей ОС специальных КЛ звеньев, превращающих контурную передачу в кусочно нелинейную функцию. Это облегчило перезарядку емкости мембраны в импульсных переходных процессах при малом "уставании" мембраны в статических режимах 12,с.1943. Это один из примеров АД функционально-логической ОС, охватывающей весьма критичный биологический обьект.

2.3. Преобразователи с автоматическим переключением и кодированием линейных диапазонов

Предложена, исследована и апробирована группа новых преобразователей сигналов С28,36,37]. объединяющих черты традиционных ФЭ для спектрометрии (дискриминаторов, компараторов, экспандеров и ФП с непрерывнологическими функциями) с комбинаторными (структурными, не алгоритмическими) АЦП, с многозначными логическими элементами, аналоговыми ЗУ, программируемыми усилителями. Главная их особенность в использовании сигналов сразу на нескольких выходах

(по третьему АД принципу). Дискретные выходы, кроме прочего, могут кодировать аналоговые функции. Это определило выбор названия "Кодирующие аналоговые процессоры" и его сокращение - КАП.

Типовой формирователь точных треугольных функций предложен [5 J как перспективный ФЭ (ячейка) таких КАП. Он представляет (рис.6а) обьединение двух точных выпрямителей для синтеза непрерывнологи-ческих СХ треугольных форм (Y-F(X) на рис.60). В зависимости от масштабных резисторов и смещений (параметрический синтез) схема формирует СХ с нулевым пьедесталом - симметричные или несимметричные с произвольными положением и высотой в пределах рабочего диапазона. Подобные ячейки на доступных ОУ обеспечивают основную статическую погрешность СХ в пределах 0,1-1Х (зависит от компонентов, СН, технологии, настройки, условий эксплуатации). На склонах СХ ячейка реализует аналоговое масштабирование и инверсию фазы сигнала (на правом склоне), отличаясь от линейных усилителей начальным разбалансом и отсутствием насыщения по выходу.

Нелинейно-цифровая "изюминка" ячейки в том, что положение изображающей точки (Y,X) на левом или правом склоне СХ отражается ступенчатыми перепадами напряжений U' и U'' на внутренних выходах ОУ (эффект ступенчатых местных ОС). Из них дополнительными преобразователями (CON на рис.6а) сформированы двоичные логические функции Lí*7 (X) и Uq(X), привязанные к узлам треугольника с высокой точностью. Эти два бита однозначно кодируют все четыре линейных отрезка СХ. Ориентацию X относительно вершины определяет лишь один бит - функция Ue(X) (далее обозначена как ил,а значения ее -привычными знаками 0 и 1). Эта цифровая информация расширяет АД возможности сложных структур из "треугольных" ячеек [2,гл.7;373.

Синтез структур КАП комбинаторикой последовательного, параллельного или смешанных соединений подобных ячеек приводит к более сложным СХ. Например, при последовательной непосредственной стыковке N одинаковых ячеек (цепочка Я1-Я4 в прямом тракте рис.бв) быстро умножается общее число 2м"1 равносмещенных зубцов внешней общей СХ. Они остаются локально симметричными относительно своих вершин. При этом все их склоны (поддиапазоны входа X) однозначно идентифицируются циклическим двоичным кодом. Экспандеры и конвейерные АЦП таких типов находят свои применения [7-9,393.

Если такую цепочку поместить в контур общей ОС (рис.бв без учета пунктирных емкостей), то свойства всей схемы заметно изменяются. В контуре формируется импульсно-подобная зависимость ВП со сменой знака в вершине каждого треугольника (радикальное отличие от рис.4). Это приводит к наклону всех зубцов СХ в сторону склонов, соответствующих общей ПОС. При единичной ВП зубцы пило-

образной СХ приобретают форму одинаковых прямоугольных треугольников, оптимальную для экспандеров сигналов [73. Дальнейший рост ЕЛ формирует двузначную СХ с участками положительного гистерезиса, При условии 4<р на ней возникают зоны многозначности (характерны для многоустойчивых схем). Форма СХ сильно зависит и от выбора положения в контуре функциональных входа и выхода (2,с.217].

Аналогично были исследованы и апробированы варианты синтеза параллельных структур КАП, намечены перспективы смешанных последовательно-параллельных структур 12,с.209,2393, потенциальное множество которых заведомо мощнее и разнообразнее исходных последовательного и параллельного множеств в отдельности.

Таким образом, ступенчатая ОС во внешних проявлениях и использовании оправдывает дополнительные эпитеты "функциональной" ОС (зависимость СВП определяет формирование полезных функций) и "логической" ОС - СВП определяет и отдельные логические функции (например, кодирование участков), и логику переходов от одних функций к другим (переходы между поддиапазонами и др.).

Дммашршсккэ свойства КАП (например, с учетом емкости С в контуре рис.бв) очень разнообразны, аналогично разнообразию их СХ Можно наблюдать многовариантные релаксационные процессы [2,с.2173: как привычные двузначные, так и необычные счетные "пачки" импульсов. Их можно оперативно построить по промежуточной многозначной СХ (методикой п.1.5). Разнообразны и переходные процессы КАП: по аналоговым или/и дискретным выходам, при разных возмущениях, смещениях и т.п. [2,0.2273. Были исследованы интересные феномены управления скоростью регенеративных процессов встречными шпумсат (торможение, обратное механизмам ускорения триггерных скачков) -существенный аспект динамики полного гистерезиса.

Перспективы применений КАП в измерительной технике, САУ, ИИС и иных областях обусловлены, прежде всего, сочетанием аналоговой передачи с цифровым кодированием (группой двоичных разрядов) их рабочих поддиапазонов и/или режимов. Например, для определения и селекции интервалов по входу, в гибридных измерителях или АЦП средних быстродействия и точности со следящей цифровой индикацией интервалов сигнала [7,383. Адаптивные АЦП с перенастройкой (для поддержания точности в большом диапазоне) могут быть полезны в электросетях, шаговых АРУ и АПЧ, умножителях частоты и др.

Перспективы КАП связаны и с комбинаторикой возможных аналоговых входов (на разные ОУ) и, тем более, аналоговых и дискретных выходов. Такие потенции быстро растут с ростом числа ячеек, внутренних ОС между ними и т.п. Одним из приложений могут быть нейро-системы и сети [45-473 на теоретическом базисе комлиментарной и

V . V У(х)

1-1 д

- к„--о / . - Кф'й«^/«! ш «А^л _ V

и 1| 41

У-У,

'—¿Синтезатор J кривых ;

* о

Рис.7. Функциональная схема сиещшнзировалной АЦШ третьего поколения для анализа сложных спектрограмм.

гибридных алгебр [Д13. Доминирующая ныне последовательностная АЦП/ШЭВМ/ЦАП системотехника не закрывает подобные перспективы. Целесообразно поэтому дальнейшее развитие КАП-преобразователей. Развертывание их различных применений мог бы ускорить выпуск типовых ячеек с треугольными СХ (скажем, по рис.6а) в гибридном или интегральном исполнении. Одно из направлений показано ниже.

2.4. Устройства аналоговой и гибридной пдозхспшзпаЯ тозакэти

2.4.1. Гийрлднля щю&жыно-оривнткрсшашдеа ЭВМ разработана и выпускалась малыми партиями 12,гл.8;27] для облегчения анализа сложных кривых (типа спектрограмм), в больших количествах получаемых в биохимических исследованиях и в других отраслях науки и производства. ЗВМ позволяет осуществить синтез нужной кривой, моделирующей экспериментальную, посредством полуавтоматического подборз и суммирования нескольких стандартных Гауссовых Г(К) и Лорентцовых Л(Х) пиков и переходных между ними форм. Можно при этом быстро и независимо менять амплитуду А отдельных пиков, их положение v вдоль оси развертки, полуширину Д и форму каждого пика (ключевое преимущество СБ]) согласно формуле

Y(X) - Кф-Г(Х) + (1 - К«> -Л(Х) . (15)

Здесь коэффициент формы К® ступенчато регулируется на интервале [0,13 с шагом 0,1 или 0,2. По завершен™ подбора отдельные пики легко выводятся на дисплей или/и графопостроитель (для более точного анализа и регистрации). Параметры пиков могут также считы-ваться со шкал их регуляторов и с цифрового индикатора.

Сравнительно с прототипами, ЭВМ позволила быстрее и достовернее осуществлять весь комплекс указанных функций и операции. По отношению к ручной обработке, экономия времени анализа типичных спектрограмм с 4-5 наложенными пиками составляет не менее 10 раз (при точности около 5Х с использованием графопостроителя). На дисплее же анализ быстрее еще в несколько раз (при точности 107.). Выигрыш достигается за счет простоты и удобства задания параметров пиков - это ручные операции и на современных вычислительных комплексах. С ними ЭВМ успешно конкурирует и по исследованию однозначности разложения (единственности решения обратной задачи, нетривиальной во многих областях спектроскопии [273).

функционально-блочная схема ЭВМ (рис7) содержит в большинстве оригинальные ФЭ и узлы, в которых использованы многие результаты по функционально-логическим ОС. Начиная с триггерной самозащиты ИП. Включая большинство основных ФЭ и ФП (см. ниже) на точных ключах и формирователях "треугольников". Кончая автоматическим управлением графопостроителем посредством общей нелинейной 00С, охватывающей всю схему (стрелки р-). Она ограничивает скорость

движения пера самописца на крутых участках кривой для сохранения точности регистрации при оптимизации времени. Схема ЭВМ в целом представляет иерархию показанных выше функционально-логических ОС, взаимодействующих в сложных динамических режимах.

Z.4.Z. Функционалание преобразователи (ФП) на "треугольных" ячейках выполняют в ЭВМ самые важные функции [2,с.237;29].

Специализированные ФЛ занимают основное место в базовом комплекте. Они определяют форму и точность отдельных пиков по (15). Их компактность и экономичность обусловлены (см. ФФ1 на рис.7): а) применением на входе регулируемой симметричной треугольной ячейки, позволяющей вдвое сократить число локальных ячеек для апроксимации отрезков симметричных пиков; б) специальным коммутирующим устройством, гадающим коэффициент формы выходного пика.

Универсальный ФП, дополняющий базовый комплект, позволяет синтезировать как произвольные функции (например, полнопериодные функции типа sin(x) или весьма специфические гистереэисные), так и симметричные функции любых форм, набрав лишь одну их половину. В последнем случае выигрываются в два раза точность аппроксимации или время настройки на нужную функцию. Схема охвачена общей ступенчатой ОС (как на рис.бв) для гибкой настройки.

Практические применения ЭВМ и основных ее ФЭ в исследованиях по спектроскопии, хроматографии, в обеспечении лабораторных технологических процессов [27,38,39] отражены в заключении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ!] (

В ТЕОРИИ И МЕТОДОЛОГИИ. Предложены и развиты концепция синтеза АД свойств в электронных схемах с функционально-логическими ступенчатыми ОС и основы соответствующей теории с целью расширения возможностей ФЭ, схем и РЭА, улучшения их технических или/и эксплуатационных характеристик. ли включают следующие теоретические и экспериментальные результаты [1-49D.

1. Разработаны основы дихотомической классификации схем с ОС (пп.1.1 и 1.4.4) для определения сферы приложения работы и ее результатов в современных схемотехнике и теории нелинейных цепей. Для этого уточнены основные понятия и термины (приложение).

2. Разработан и разносторонне апробирован новый способ измерения показателей аддитивных ОС с последовательной тест-ЭДС в замкнутом контуре (п.1.2.2). Способ обеспечивает достоверные измерения в разных схемах - нелинейных и даже неустойчивых.

3. На этой основе обобщены и уточнены физические аспекты ОС в схемах различного назначения, включая (п. 1.3): а) систематизацию свойств дифференциальной ВП и ее частного случая контурной пере-

дачи - основных показателей ОС в активных схемах, одно- или многоконтурных ; б) графическую интерпретацию нелинейной ОС как зависимости ВП от полных узловых напряжений, управляющих параметрами нелинейных компонентов. Это улучшило понимание ОС и их перспектив.

А. Развит методологически единый геометрический подход к оценке и реализации аналоговых, дискретных и совмещенных АД сеойств в неделимых схемах о нелинейными ОС. Он включает (п.1.4):

а) обобщенную модель ступенчатой аппроксимации существенно нелинейных зависимостей ВП от напряжений, управляющих нелинейностями;

б) основы синтеза сложных зависимостей ВП;

в) классификацию основных типов АД функционально-логических ОС;

г) основные принципы их схемотехнического использования.

5. Развит единый экономный метод анализа статики и основ динамики АД схем на ОУ со ступенчатыми ОС. Он включает (п.1.5):

а) упрощенные графоаналитические анализ и синтез сложных СХ;

б) упрощенные исследование и расчет релаксационных процессов в контурах ОС с емкостями. Новизна и значение метода (и методологии в целом) - сочетание компактности и образности с ясной физической интерпретацией и эвристическими потенциями развития эффективного схемного мышления и геометрической теории цепей.

Эти теоретические и методические результаты подтверждены в разнообразных экспериментах и на практике. На их основе предложены принципы построения и разработаны ФЗ и более сложные схемы с функционально-логическими ступенчатыми ОС и совмещенными АД свойствами, реализованные в следующих областях АД СХЕМОТЕХНИКИ.

1. Предложены новые схемно компактные варианты использования регенеративных скачков в контурах ступенчатых ОС для автоматического выключения СН при перегрузках (т.е. их эффективной защиты). Предложены взаимные связи порогового типа между несколькими стабилизаторами, что значительно расширяет возможности самозащиты многоканальных КП от перегрузок по току и их адаптивные свойства в нештатных ситуациях (п.2.1 [2,гл.53). В большинстве их внедрений это обеспечило аппаратурную и эксплуатационную экономию.

2. Функционально-логические ОС применены для реализации новых АД свойств в процессорах аналоговых сигналов (преобразователях, формирователях, генераторах). Например, регенеративные скачки при пороговых сигналах использованы для включения/выключения усилителей, переключения их усиления или/и фазы, получения внешних синхроимпульсов и т. п. ' Существенно расширены диапазоны перестройки частоты в простых КС-генераторах и в полосовых фильтрах (при сохранении качества гармонических колебаний). Созданы специальные измерительные устройства для биомедицины (п.2.2 [2,гл.6]).

3. Созданы и исследованы новые оригинальные преобразователи аналоговых сигналов с автоматическим шкалированием (расширением) динамического диапазона, сочетающие линейную передачу в отдельных диапазонах с цифровым кодированием их порядка (п.2.3 [2,гл.'/]).

Они представляют новый класс многофункциональных АД устройств с высокой концентрацией функций и операций - кодирующие аналоговые процессоры (КАП), реадиаущиы гибридные функции ка нескольких выходах и имеющие перспективы для измерительной техники, САУ, аппаратурного моделирования нейронных сетей и др.

4. Предложены принципы и разработана функциональная схема новой проблемно-ориентированной гибридной ЭВМ для моделирования и анализа сложных кривых типа спектров (п.2.4.1 [2,гл.8]). Выпущенная затем малой серией, она показала высокую эффективность в ряде фундаментальных и прикладных научных исследований.

5. На основе АД свойств контуров нелинейных ОС предложены и разработаны новые схемные решения ряда ФЭ и блоков гибридных ЭВМ с большими функциональными возможностями: универсальные и специализированные преобразователи функций, узлы масштабирования и сложения, коммутации и управления и др. (п.2.4.2 и ниже).

ПОЭТОМУ совокупность полученные теоретических и практических результатов шшш считать основой нового перспективного направления в АД схемотехнике.

ШЩРЕНИЕ К ШП01ЬЗОВА1ЕЕ теоретических и практических этих результатов осуществлялось при участии автора с 1963 г. в организациях АН СССР и других ведомств. В решение взжных народнохозяйственных задач аппаратурного оснащения научных исследований внесен следующий вклад (с использованием результатов диссертации):

1. Для применений в автоматике, измерительной радиоэлектронике разработаны: а) различные стабилизированные ИП 12,прилож.1J. [1,3,4,10-14,203); б) сервоусилители переменного напряжения [163: в) измерительные коммутаторы аналоговых сигналов [193; г) генераторы калибровочных напряжений L2,прилож.23,[303; д) избирательные и полосовые фильтры [2,»6.13,[15,26,343); е) вторичные преобразователи и формирователи функций С2-гл.7,#8.23, [5, 28,29.36,373); к) датчики и чувствительные элементы [7,9,40-453.

2. Для исследований по новым когерентным методам ускорения элементарных частиц созданы (в составе мощного высоковольтного генератора электронных пучков) а) подсистема электропитания и ее узлы [12-143; б) разные устройства для измерения видео- и радиоимпульсов, топографии магнитного поля и др. [15,16,193.

3. Для исследовании по биофизике и электрофизиологии созданы: а) система портативных ФЭ для измерении электрических харак-тик

клеток и мембран [2,#6.23,1291; б) электрометрические усилители для внутриклеточного и внеклеточного отведения биопотенциалов 12, прилож.2.33,[25-273); в) серийные измерительные комплексы на этой базе [2,прилож.2.43; г) специальные измерительные комплекты [283.

4. Для эффективной обработки и повышения информативности экспериментальных данных в современных молекулярной биологии и биохимии созданы: а) гибридная ЭВМ для разложения сложных кривых (типа спектров) на компоненты простых форм [2,#8.13, [6,273);

б) аналогичное более эффективное серийное устройство Г2,прило*.33

в) устройства для автоматизации хроматографических экспериментов [2,прилсж.2.53, [7,38,393; г) метод и устройства контроля показателей макромолекулярных дисперсных систем [8,403.

Значительная часть перечисленных устройств, приборов, аппаратуры доведена с участием автора до экспериментальных партий или серий, выпущенных в ряде организаций: в Путинском научном центре РАН (по перечню выше поз.1а,г-е; 3; 46), на экспериментальном заводе РАН в Черноголовке, заводе "Эталон" в Воронеже и др. Основные принципы триггерной самозащиты СН воплощены в ряде серийных промышленных МП (Минприбора и Минрадиопрома СССР, по линии СЭВ) и в серийных микросхемах К142ЕН.

Выпущенные устройства и приборы использованы автономно или/и в комплексах более сложной аппаратуры [2,прилож.2.43, [38,393) во многих организациях. При этом подтвердились технические, экономические или эксплуатационные преимущества их схемных решений (на стадиях разработки, производства или применения), по сравнению с традиционными подходами. Некоторые приборы и комплексы (поз.1а,40 и др.) обеспечили экономию валюты. Часть внедренных результатов признаны существенным вкладом в решение важных народнохозяйственных задач по созданию современных приборов и высокопроизводительной РЭА для науки (отражено актами, отзывами, наградами).

Некоторые решения, апробированные в приборах и научной РЭА, перспективны для более широких применений в автоматике, измерительной и вычислительной технике, радиоэлектронике и др. В т.ч. для дальнейшего освоения в микроэлектронике рекомендуются разработки позЛг-ж, 36, Общая концепция совмещенных АД свойств также применима к системам другой физической природы при наличии у них электрических участков (САУ, нейронные модели и сети и др.).

В заключение автор искренне благодарит всех коллег и соавторов за сотрудничество и помощь на отдельных этапах работы.

- 38 -

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Сафрошкин Ю.В. Переходные характеристики и устойчивость транзисторных стабилизаторов напряжения и тока,- М: Энергия,1968.-168с

2. Сафрошкин Ю.В. Электронные схемы с нелинейн.обратными связями аналого-дискретные свойства и их применение.- М.: Наука, 1980.-28G

3. A.c. 179822 СССР. МКИ. G05F 64/50. Полупроводниковый стабилизатор напряжения / Ю.В.Сафрошкин. - Вол. 1966, N 6.

4. A.c. 6500БЗ СССР. МКИ2. G05F 1/58. Источник питания с несколь кими каналами / Ю.В.Сафрошкин.- Еюл. 1979, N 8.

5. A.c. 452009 СССР. МКИ3 0O6G 7/26. Устройство для формирования напряжения треугольной формы / Ю.В.Сафрошкин.- Вид. 1974, N44.

6. A.c. 458840 СССР. МКИ3 G06G 7/48. Устройство для анализа слож ных спектрограмм / С.В. Бирюков, Ю.В. Сафрошкин.- Еюл.1975, N4.

7. A.c. 756290 СССР. МКИ3 G01N 31/08. Устройство для регистрации выходных сигналов анализатора состава / Ю.В.Сафрошкин, С.В.Дроздов С.В.Бирюков.- Вюл. 1980, N 30 .

8. A.c. 894574 СССР. МКИ3 G01N 33/48. Способ контроля биосинтеза белка в растворе /Ю.В. Сафрошкин.- Бюл. 1981, N 48.

.9. А.с.987449 СССР. МКИ3 G01N 1/18. Коллектор фракций/Алахов Ю.Б Бирюков С.В, Макаров H.A. Макаров Н.И. Слфрпшкин Ю.В. - Пол.1983,N1

10. Сафрошкин Ю.В. Стабилизаторы параллельного типа и перспективы их применения // IX Всесоюз. сессия, пос-вящ. Дню радио: Тез. докл.-М.: НТОРЗС, 1062.- Секция "Полупроводниковые приборы".- С.21.

11. С2§роаийН Ю.В. Практич. схемы паралл. стабилизаторов.- Там же,

12. CagpoEioHi Ю.В. Некоторые практические схемы полупроводниковых стабшшзир. источников питания.- Дубна: 1964. [Препр.ОИЯИ N1708]

13. Софроакш! Ю.В. Полупроводниковые стабилизированные источники питания на выходные напряжения 160 и 3UU В // Приборы и техника эксперимента (ПТЭ).- 1964,- N6.- С.99-103.

14. Сг^рошкии Ю.В. Стабилизаторы постоянного напряжения с двух-конгурнкм питанием // Вопросы радиоэлектроники, сер. Общетехнич.-1964.- Вып.4.- С.84-94. ЕПрепр. ОИЯИ N1363,19643

15. Сафрошкин Ю.В. Частотно-избирательные схемы на полупроводниковых приборах // Полупроводник, приборы и их применение / Под ред. Я.А. Федотова.- М.: 1963.- Вып.9.- С.244-252.

16. Сафрошкин Ю.В. Транзисторные усилители переменного тока с отрицательной обратной связью // Там же.- С.253-266.

17. Сафрошпин Ю.В. Колебательная и апериодическая неустойчивость полупроводниковых стабилизаторов// Полупроводниковые приборы и их применение/ Под ред. Я.А.Федотова.- М.: 1965.- Вып.13.- С.273-305.

18. Сг$рстки Ю-В. Оптимальные переходные процессы в транзисторных стабилизаторах // Электросвязь, 1967.- N12.- С.49-58.

19. Е&хвеов З.В., Сафрошякн Ю.В. Релейный и транзисторный коммутаторы. - Дубна: 1967, прелр.ОИЯИ N3344.

20. Диус А.С., Князева Н.Д., Сафросвот Ю.В. Унифициров. источники питания "Полюс" // Вторичные источники электропитания/ Под ред. Ю.К.Захарова.- М. : 1971.- С.46-59.

21. Са^рошсш Ю.В. D ключевых и логических возможностях стабилизаторов с триггерной самозащитой // Вопросы радиоэлектроники, серия "Общетехническая".- 1970.- Вып.18.- С.10-22.

22. Сг$ршюга Ю.В. Линейные усилители с релаксац. свойствами // Радиотехника.- 1969.- Т.23, N4.- С.82-84. СПрепр.СШЯИ N2417,19673

23. Васильев В.В., Гарыанчук СЛ., Са$ровдога Ю.В. Опыт разработки комбинир. усилителей для микроэлектродных исследований // Развитие физиол.приборостроения: Сб.трудов II Всесоюз.сем.- М.,1968.-с.130.

24. Са$ровзош Ю.В. Широкополосный электрометрический усилитель // Биологич.и медицинская электроника: Тез. докл. VI Всесоюз. конф.-Свердловск, 1972.- Ч.1.- С.107.

25. Система типовых функциональных блоков для исследования электрических характеристик клеток и мембран: Информационный проспект / Сост. Ca$po=aotii B.D.- Пущино, 1971,- 4с.

26. Сафрошкин Ю.В. Широкодиапазонные частотно-избирательные RC-устройства // Полупроводниковые приборы в технике электросвязи / Под ред. И.Ф. Николаевского.- 1973, N12.- С.67-75.

27. Еирдаоз C.B., Сафрошкин Ю.В., Чиргдцзе Ю.Н. Аналоговое устр-во для разделения сложных спектр-ных кривых на отдельные компоненты// ПТЭ.- 1975.- N4.- С.131-133. СПТЭ: 1977,N3,С.2703 (Пущино,1974)

28. Сафроштн Ю.В, Бирюков C.B. Некоторые аналого-цифровые возможности схем с гистереэисными характер-ми // Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И.Конева.- М., 1978.- Вып.10.- С.176-283.

29. Бирюков C.B., Дроздов C.B., Са$росакин Ю.В. Специализированный и универсальный функциональные преобразователи третьего поколения// Технические средства аналоговой и аналого-цифровой вычисл. техники: Сб.тез. Всес. совещ.- Кишинев, 1975.- С.66.

30. Сафрошкин Ю.В. Обратная связь в электронных схемах: физическая и математич. интерпретация: Препринт НЦЕИ АН СССР.- Пущино, 1977.31. Сафрошкин Ю.В. Усилительные устр-ва с кусочно-линейными обрат.

связями (обзор).- М, 1976.- Деп. в НШЗИР.- N3-5123.- 113 с. 22. Сафрошкин Ю.В. Усилит.устр-ва с кусочно-линейн. обрат.связями: анализ статики (обзор).- М.. 1977.- Деп. в ВИНИТИ.- N1854-77.- 77 с.

33. Сафрошкин Ю.В. Усилит, устр-ва с кусочно-линейными обратными связями: динамика (обзор).- М.,1977.- Деп. ВИНИТИ.- N2680-77.-79с.

34. Сафрошюш Ю.В. Нелинейный полосовой фильтр // Приборы и техника эксперимента, 1980.- N 2.- С.142-143.

35. Сафроокин Ю.В. 0 возможности непосредственного измерения глубины обратной связи // Автометрия, 1981.- N 2.- С.86-91.

36. Сафрошкин Ю.В. Усилители с аатоматич. переключением диапазонов на микросхемах //XXIII Всесоюз.сессия, посвящ. Дню радио: Тез.докл. -М., 1978.- Секция "Радиоприемные устройства".- С.4.

37. Сафровкин Ю.В. Преобразователи с автоматич.переключением линейных диапазонов // Приборы и техника эксперимента,1980.- N2.-С.24-37.

28. Бирюков C.B., Овчинников И. А., Сафрошош Ю.В. Возможности автоматизации хроматографических экспериментов // Научприбор СЭВ - 1978: Сб.тез. Междунар. НТК.- М.,1978.- с.128.

39. Алахов С.Б., Кудрявив В.К., Сафрошкин D.B. Опыт автоматизации колоночной хроматографии белков // Автоматизация биохимич.исследов: Сб. трудов НЦЕИ АН СССР.- Пущино, 1981.- 20с.

40. Сафрошкин Ю.В. О возможностях создания кондуктометрич. зонда для анализа частиц...: Црепринт НЦБИ АН СССР.- Пущино, 1983.- 20с.

41. Белов Н.С.Ушаков Н.У,Сафрошкин Ю.В. О концепции банка данных по датчикам // Микроэлектронные датчики в машиностроении: Сб.тез. Всесснзв. конф.- Ульяновск, 1990.- С.38.

42. Сафрошкин Ю.В.Соколов С.А. Миниатюризация аналигат-ов состава жидкостей и газов на основе интегр-ых многопараметровых датчиков-Химич. сенсоры - 89: Сб.тез. Всесоюз. конф.- Л, 1989.-Т.2.-С.162.

43. Сафрошин Ю.В. О комплексной миниатюризации автоматич.анализаторов состава газов и жидкостей //' РЖ Метрология,1991.-N12.-С.2.1

44. Куреев В.Б.,Сафрошкин Ю.В. Интегральный датчик рН на ионосе-лективном полевом транзисторе // СЕНСОР-91: Матер. НТК,- Л.,1991.

45. Сафроокин Ю.В. Интегральн.мультисенсоры как входные элементы нейро-систем // XXX НТК УГТУ: Тез.докл.- Ульяновск,1996.-41,с.59.

46. Сафрошкин Ю.В. Анализ и применение схем точных ограничителей и формирователей треугольных функций.- Там же, с.60.

47. Сафрошкин Ю.В. Электронные схемы с функционально-логич. обрат, связями: основы схемотехники и применения // Непрерывная и смежные логики в технике, экономике...: Матер.МНТК.- Пенза,1996.- С.90-92.

48. Сафрошкин Ю.В. Электронные схемы с функционально-логич.обрат, связями: основы анализа и инженерного расчета,- Там же.- С.89-90.

49. Сафрошкин Ю.В. О принципах экономного совмещения аналоговых и дискретных свойств в электронных схемах с функциональнологич-ми обр. связями // XXXI НТК УГТУ: тезисы.- Ульяновск: 1997.- 41,с.32.

Меч. л. 2S Тираж JQQ Заказ 436____

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

На правах рукописи

САФРОШКИН Юрий Васильевич

ОСНОВЫ ТЕОРИИ, СХЕШТЕХНЙКА Ы ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ С АМЛОГО-ДИСКР'ЕТНШИ ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ

Специальности: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления; 05.09.05 - Теоретическая электротехника

Диссертация на соискание ученой степени "" доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1 эдя

!--лСота выполнена: - в Иуйданском научном центре РАН (г.Пущино Московской области); - в Ульяновском центре Микроэлектроники

Официальные оппоненты:

госу^ ■. +

*-' "п. .

б

7 - С

Л „ V ,

0 ¡ЧОйГ

I

1

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Данчеев В. П.

доктор технических наук, профессор Волгин Л.И.

доктор технических наук, профессор Гусев Г. Г.

Московский инженерно-физический

институт

Защита состоится "_{_£_" 1998 г. в 10 часов

в аудитории Д-053.16.09 в

на заседании диссертационного совета Московском энергетическом институте (Техническом университете).

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, завог 1росьба нап-

равлять по адресу: 111250, №.<"■•■:.■■ менная ул.,

14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Диссертация в форме научнс разослана "_" _____.....

Ученый секретарь диссерт-Д 053.16.09 к.т.н., проф.,

эдыгин

: гр - „у

КРАТКАЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современный этап развития науки и техники характеризуется быстро растущими требованиями к эффективности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и устройств различного назначения, в том числе к эффективности РЭА и приборов для научных исследований.

Схемотехника таких средств до недавнего времени развивалась, в основном, по структурно-функциональному принципу (СФП-подход): электрическая цепь (ЭЦ) строится из блоков (ячеек) функциональных элементов (ФЭ), выполняющих определенные типовые функции/операции Гот усилителей и сумматоров до АЦП и микроЭВМ). Эффективность АКТИВНЫХ электронных схем (ЭС) из таких блоков и ФЭ при этом определяется: а) уровнем развития и параметрами компонентов общего применения (от до "чипов"); б) номеклатурой и возможностями ФЭ общего и специального назначения; в) информационным и методическим обеспечением разработчиков схем и устройств.

ФЭ развиваются по двум основным путям:

1. Эволюционное совершенствование традиционных ФЭ (аналоговых и дискретных, общего и частных применений). При этом трудно преодолеть основные слабости СФП: а) "арифметический" рост массы, габаритов, энергопотребления, стоимости и...шумов устройств и РЭА с ростом их сложности (количества функций); б) обычно обратное снижение надежности, чувствительности, быстродействия.

2. Разработка новых ФЭ (новые их функции, качества), позволяющих ослабить или обойти некоторые из таких слабостей.

АКТУАЛЬНОСТЬ и обоснование диссертации в рамках второго пути обусловлены и все более настоятельной необходимостью шире и глубже сопрягать технологию и технику (насыщенные цифровой электроникой обработки и управления) с естественными процессами, обычно непрерывными. Отсюда потребность в АНАЛОГО-ДИСКРЕТНОЙ (АД) схемотехнике для развития АД интерфейсов. Ее методологическое и теоретическое обеспечение в последние десятилетия стимулировалось и развитием "гибридных" (в смысле АД свойств) ЭВМ и преобразователей (АЦПДАП) для радиоэлектроники, вычислительной техники, систем управления.

\>пюй вклад в это внесли многие школы, авторы (библиография в ;;. 36-39] и ГД1] - см. ниже). Их опыт и достижения показывают ",о~-:ылие резервы повышения эффективности РЭА по второму пути.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию АД схемотехники, ..изданию ФЭ и устройств с новыми АД свойствами и более широкими аозможностями за счет уплотнения ("концентрации") нужных функций, их "самоорганизации" с использованием более компактных схемотехнических решений. Раскрываемая ниже АД концепция, ее методология и принципы приводят к более эффективным решениям, чем чисто ана-

логовые или дискретные, особенно при разработке экономичной РЭА, необходимой во многих областях. В диссертации это подтверждено на приборах и аппаратуре для научных исследований, разработанных и внедренных в производство и научную практику.

Актуальность работы подтверждена и ее тесной связью с крупными комплексными программами: "Автоматизация научных исследований", "Микрометоды в химии белка" и др. (пост. CM СССР N131 от 18.2.75г, пост. ГКНТ СССР N69 от 28.2.79г.), а также с рядом НИР и DKP (per.NN 73042589. 74049740, 770622876 и др).

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. Научные цели работы - создание общей концепции и методологии формирования и исследования АД свойств в .автономных схемах (от ФЭ и сложнее) с существенно нелинейными обратными связями (ОС), развитие на этой основе усилителей и преобразователей, стабилизаторов и генераторов и других элементов устройств с качественно новыми или расширенными функциональными возможностями.

На пути к этим целям ставились и решались этапные задачи всесторонней разработки нового схемотехнического подхода: использования функциональных непрерывнологических ОС для целенаправлен- \ ного обогащения свойств ФЗ и схем, а именно для совмещения в них аналоговых и дискретных свойств без пропорционального аппаратурного усложнения, но с улучшением тех или иных технических или/и эксплуатационных характеристик. Для этого потребовалось:

- Развить физическую (измерительную) интерпретацию аддитивных ОС в автономных ЭС, снять накопившиеся противоречия и неясности.

- Развить единую методологию синтеза и анализа существенно нелинейных (ступенчатых) функционально-логических ОС.

- Довести ее до уровня инженерной практики, компактных методов анализа и расчета новых АД свойств и синтеза АД схем.

- Осуществить их экспериментальную проверку (для верификации теории) и практическую проверку (для подтверждения реальных преимуществ новых решений) в рамках поставленных задач.

Конечными прикладными задачами работы явились разработка и выпуск новых устройств и средств радиоэлектроники, их внедрение в научное приборостроение (физические, биомедицинские исследования), предъявляющее к ним новые быстро рас,ширяющиеся требования.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА достижения указанных целей и задач.

- Исходные положения теоретической электротехники и теории цепей.

- Доработка и уточнение опирающегося на них основного понятийного аппарата и корректной терминологии.

- Современные представления непрерывной, дискретной и гибридных алгебр и логик и опирающихся на них областей схемотехники (например, см. Волгин Л.И. Непрерывная логика и ее схемотехнические применения.- Ульяновск: УГТУ, 1996,- 108с). *[Д'1]

- Математические методы анализа устойчивых линейных цепей.

- Геометрический подход: кусочно-линейная (КЛ) графическая аппроксимация основных нелинейных эффектов в реальных схемах -как их внешних свойств, так и внутренних свойств контуров ОС.

- Упрощенные графоаналитические методы анализа внешних свойств таких схем и синтеза их структур.

НА ЗАЩИТУ ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ: концепция формирования комбинированных АД свойств в ЗС с функционально - логическими ступенчатыми ОС, основы теории и схемотехники таких схем.

Это поэтапно раскрывается рядом результатов.

1. Разработаны основы дихотомической классификации схем с ОС для определения сферы приложения работы (ее места) в обширной современной схемотехнике и теории нелинейных цепей.

2. Разработан и разносторонне апробирован новый замкнутый способ измерения физических показателей ОС в ЭС.

3. На основе этого способа обобщены физические (измеряемые) свойства аддитивных ОС в схемах различного назначения, включая:

а) систематизацию и уточнение свойств дифференциальной возвратной передачи (ВП) и ее частного случая - контурной передачи, основных показателей, характеризующих ОС в одно- или многоконтурных активных схемах; б) графическую интерпретацию нелинейкой ОС как зависимости ВП от полных узловых напряжений контура, управляющих параметрами входящих в него нелинейных компонентов.

4. Развит методологически единый геометрический подход к оценке и реализации аналоговых, дискретных и совмещенных АД свойств-в неделимых схемах с НЕЛИНЕЙНЫМИ ОС, включая:

а) обобщенную модель ступенчатой аппроксимации существенно нелинейных зависимостей ВП от напряжений, управляющих нелинейностями;

б) основы синтеза сложных зависимостей ВП;

в) классификацию основных видов АД функционально-логических ОС;

г) основные принципы их схемотехнического использования.

5. Развит единый компактный инженерный метод анализа статики и основ динамики АД схем на ОУ со ступенчатыми ОС, включающий:

а) графоаналитические анализ и синтез сложных статических характеристик (СЮ; б) исследование и расчет релаксационных процессов в контурах ОС с функциональными емкостями.

6. Опираясь на разработанные методологию и теорию, созданы новые группы (классы) схемотехнических решений, во многом качественно превосходящие традиционные решения (см. ниже).

ДОСТОВЕРНОСТЬ защищаемых положений обоснована методологически (широко апробированными подходами и математическими методами теоретической электротехники). Она подтверждена экспериментально (измерениями на реальных схемах), схемотехнически (разработан ряд

новых перспективных схемных решений) и практически - внедрением многих из них в производство и реальное использование (см. ниже).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА этих результатов состоит в следующем:

1. Классификации ОС опирается на измеряемые (количественно определяемые) показатели ОС, на уточнение основных понятий и дихотомический (двузнзчный) принцип сечения областей и подобластей, устраняющий неопределенности и разночтения (в пределах четкости определений признаков, критериев, терминов - см. приложение).

2. Измерения количественных и качественных показателей ОС выполнены с последовательным введением возмущающей ЭДС в замкнутый контур (без его разрыва - условие достоверных измерений в любых схемах с ОС - нелинейных, неустойчивых и др.).

3. Этим более надежным и точным способом физические свойства ОС впервые достоверно исследованы экспериментально в полных диапазонах напряжений для разных классов схем с существенно нелинейными ОС (ступенчатыми ОС в КЛ аппроксимации), в т.ч. неустойчивых.

4. Обобщена и исследована роль ступенчатых зависимостей ВП в формировании и совмещении аналоговых и дискретных свойств в неразделимых контурах функциональных ОС. Сформулированы основные принципы синтеза таких ОС и использования их внешних АД свойств.

5. Новизна образной геометрической методологии и теории (развивающих эффективное схемное мышление) облегчила реализацию многих полезных АД свойств, синтез реализующих их структур и схем.

Новизна и приоритет защищаемых результатов подтверждены изобретениями и/или публикациями, дипломами, наградами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том, что на основе развитых методологического и теоретического подходов предложены принципы создания, методы анализа и синтеза разнообразных схем с функционально-логическими ступенчатыми ОС и АД свойствами* Они апробированы и практически использованы в следующих конкретных группах (классах) схемотехнических решений (обычно с качественными преимуществами и экономией в разработке, производстве или эксплуатации конечных ФЭ, устройств и комплексов, их включающих).

1. Предложены новые экономные варианты использования регенеративных скачков в контурах ступенчатых ОС для автоматического выключения/включения стабилизаторов напряжения (СН), например.при токовых перегрузках - без ухудшение функции стабилизации и без их аппаратурного усложнения. Предложены взаимные порогово-логические связи в группе СН, что расширяет возможности самозащиты и адаптивной самоорганизации многоканальных источников питания (ЙП).

2. Нелинейные и ступенчатые ОС применены для реализации новых АД функций в процессорах аналоговых сигналов (преобразователях, формирователях, генераторах). Б том числе: регенеративные скачки

при пороговых сигналах использованы для включения/выключения усилителей, переключения их усиления или/и фазы, получения внешних синхроимпульсов и т.п.; существенно расширен диапазон перестройки частоты в простых НС-генераторах при сохранении качества гармонических колебаний; предложены компактные легко" перестраиваемые чзстотные полосовые фильтры на этой основе: созданы специальные измерительные устройства для биомедицинских исследований.

3. Создана и исследована группз оригинальных преобразователей аналоговых сигналов с автоматическим переключением динамических диапазонов, сочетающих линейную передачу в отдельных поддиапазонах с цифровым их кодированием. Они представляют новый класс "кодирующих аналоговых процессоров" (КАП') с целевым интенсивным совмещением в них аналоговых и дискретных функций и операций для расширения их адаптивной гибкости и синергетических возможностей включающих их устройств и систем.

4. Предложены принципы и разработана функциональная схема новой проблемно-ориентированной гибридной ЭВМ для моделирования и анализа сложных кривых (типа спектров). Выпущенная затем малой серией, она показала свою высокую эффективность в различных фундаментальных и прикладных научных исследованиях (см. заключение).

5. На основе АД свойств контуров нелинейных ОС предложены и разработаны новые схемные решения ФЭ и блоков гибридных ЭВМ и приборов с расширенными функциональными возможностями: универсальные и специализированные преобразователи функций (ФП), узлы масштабирования и сложения, коммутации, управления.

СОВОКУПНОСТЬ полученных результатов можно считать основой нового перспективного направления в АД схемотехнике (в теоретическом и прикладном аспектах).

ВНЕДРЕНИЕ результатов работы проходило, в основном, в рамках крупных программ (см.выше) и важных народнохозяйственных задач по созданию современных приборов и высокопроизводительной РЭА для научных исследований. Были разработаны и внедрены в производство: ряды унифицированных ИП, система блоков для исследований электрических характеристик нейронов и мембран, специальная гибридная ЭВМ и др. Большинство их доведены до выпуска (серийно, опытными партиями или ОКР-образцами) и полезных применений в исследованиях по многим крупным научным проблемам. Проявившиеся при этом их функциональные достоинства, производственная или/и эксплуатационная экономия подтверждены актами, наградами, отзывами. Триггерная самозащита реализована в серийных микросхемах К142ЕН.

ПУБЛИКАЦИИ, отражающие научные и практические результаты по тематике диссертации, перечислены в библиографии (см.ниже и [23):

всего около 60 публикаций по теме, включая 7 изобретений и две монографии (в т.ч. обобщающая [2] - "Наука", 280с., 2700экз). Некоторые переведены или/и цитированы за рубежом [1,2,15,35,37].

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА в научные результаты работы зафиксирован в монографиях [1,23 и большинстве публикаций, выполненных лично. Его существенный вклад во внедрение использующих эти результаты приборов и аппаратуры в производство и в практику и в итоговые коллективные публикации подтвержден в актах, справках, отзывах,

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации неоднократно представлялись и обсуждались:

1. На международных конференциях,симпозиумах,...(МНТК):

- Научприбор СЭВ (Москва,1978 [38]);

- Непрерывные и смежные логики в технике... (Пенза,1996 [47,483).

2. На Всесоюзных научно-технич. конференциях, школах,...(ВНТК):

- Сессии, посвященные "Дню радио" (Москва: 1962 [10,11], 1968, 1978 [30,363);

- Вторичные источники электропитания (Ленинград, 1970 [213);

- Развитие физиологического приборостроения (Москва, 1968 [233):

- Биологическая и медицинская электроника (Свердловск,1972 [243);

- Автоматизация научных исследований (Владивосток,1973 [273; Бакуриани, 1975; Гатчина, 1977 [39] и др.);

- Технические средства аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники (Кишинев, 1975 [293; Москва, 1977 [283);

- Автоматизация анализа химич. состава веществ (Москва,1980 [393);

- "Химические сенсоры-89" (Ленинград, 1989 [42]);

- Микроэлектронные датчики в машиностроении (Ульяновск,1990 [41]);

- Электронные датчики "СЕНСОР-91" (Ленинград, 1991 [43]);

- ВНТК по биофизике, биохимии, спектроскопии [25,27,38,39 и др.].

3. На выставках и ярмарках: ВДНХ СССР (1977), Лейпциг (197580), ведомственные выставки АН СССР и РАН.

4. На ведомственных и региональных НТК, семинарах, совещаниях в Москве, Дубне, Пущине, Ульяновске.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

РОив." -ГОЛ" ' вЧг,?,' -

Концепцию совмещения аналоговых и дискретных свойств в неделимых схемах с функционально-логическими ступенчатыми ОС сначала проиллюстрируем на простых примерах, опираясь пока на предварительный подход к классификации множества активных ЭС и РЭА и наши краткие определения основных терминов (приложение).

На рис.1 условно выделены облас�