автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение эффективности реализации аналоговых радиотехнических устройств на базе ПЛИС

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИМС ф ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АНАЛОГОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

1.1. Цифро-аналоговые ИМС.

1.1.1. Микросхемы класса ASIC.

1.1.2. Микросхемы класса PSoC.

1.1.3. Микросхемы класса FPSLIC.

1.1.4. Микроконверторы.

1.2. Цифровые ИМС - микросхемы класса ПЛИС.

1.3. Аналоговые ИМС-программируемые интегральные схемы (ПАИС).

1.4. Система «АЦП - цифровая схема - ЦАП».

1.4.1. Выбор типа АЦП.

1.4.2. Выбор типа ЦАП.

1.4.3. Выбор ПЛИС в качестве цифровой схемы. ф 1.6. Постановка цели и задач исследования.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЗВЕНЬЕВ.

2.1. Анализ математических моделей для описания ЭЗв.

2.2. Исследование применимости методов численного интегрирования и дифференцирования к описанию работы ЭЗв.

2.3. Выбор метода для анализа и синтеза аналоговых систем.

2.3.1. Основные положения метода структурных матриц.

2.3.2. Синтез структурной схемы аналогового устройства с помощью метода структурных матриц.

2.4. Машинное моделирование работы аналогового устройства.

2.5. Принципы составления моделей аналоговых радиотехнических устройств на основе ЭЗв.

2.5. Выводы.

• ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ф ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЗВЕНЬЕВ.

3.1. Алгоритм функционирования пропорционального звена.

3.1.1. Результаты моделирования описания пропорционального звена. вМАХ+PLUS II.

3.2. Алгоритм функционирования интегрирующего звена.

3.2.1. Результаты моделирования описания интегрирующего звена в MAX+PLUS II.

3.3. Алгоритм работы дифференцирующего звена.

3.3.1. Результаты моделирования описания дифференцирующего звена в MAX+PLUS II.

3.5. Алгоритм работы аналогового устройства на основе ЭЗв.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЗВ.

4.1. Разработка устройства на базе ПЛИС для оценки функционирования ЭЗв.

4.2. Экспериментальная оценка функционирования ЭЗв. ф 4.2.1. Оценка функционирования пропорционального звена.

4.2.2. Оценка функционирования дифференцирующего звена.

4.2.3. Оценка функционирования интегрирующего звена.

4.3. Экспериментальная оценка функционирования аналогового устройства на основе ЭЗв.

Ф 4.4. Анализ результатов эксперимента.

4.5. Методика проектирования аналоговых устройств на основе ЭЗв ф в устройстве с ПЛИС.

4.6. Выводы.

Наиболее заметным явлением в современной радиотехнике является все более широкое использование устройств цифровой электроники. Современная цифровая электроника заняла достойное место в нетрадиционных для нее областях радиосвязи, радиовещания, телевидения, радионавигации и радиолокации, а также в бытовой электронике. Наблюдается постоянное совершенствование технологии производства цифровых интегральных микросхем (ИМС) в направлении повышения степени интеграции и расширения номенклатуры.

Одной из причин успешного развития цифровой электроники является использование математического аппарата булевой алгебры для синтеза цифровых логических систем. Аппарат булевой алгебры позволяет представить сложную цифровую логическую систему в виде соединенных соответствующим образом типовых элементарных ячеек, каждая из которых выполняет элементарную логическую операцию.

Иная ситуация сложилась в области анализа и проектирования устройств аналоговой электроники (устройства отображения информации, системы автоматического управления (САУ), аналоговые фильтры). В этой области наблюдаются попытки перехода на уровень выпуска системных микросхем, однако отсутствие единого общепринятого математического аппарата для их анализа и синтеза сдерживает развитие данного направления.

В сложившейся ситуации очевидна необходимость создания универсального математического аппарата проектирования аналоговых устройств, аналогичного аппарату проектирования цифровых логических систем. В работах [1-4] обоснована возможность использования теории систем дифференциальных уравнений для математического моделирования принципиальных схем аналоговых устройств.

В работах [5-7] предложено выделить наиболее часто встречающиеся в уравнениях звенья и рассматривать их в качестве элементарных. Показано, что системы с требуемой передаточной функцией могут быть синтезированы с помощью операторов размножения и соединения элементарных звеньев (ЭЗв), номенклатура которых представлена тремя основными звеньями: пропорциональным, дифференцирующим и интегрирующим (вспомогательные звенья: структурные звенья расширения/сжатия). На их основе можно сформировать как МАБИС (матричные аналоговые большие интегральные схемы), так и ПАИС (программируемые аналоговые интегральные схемы).

К сожалению, провести натурный эксперимент при нынешнем положении Российской микроэлектроники не представляется возможным. Поэтому в работе сделана попытка проведения эксперимента на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Обработка сигналов проводится в конфигурации «аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - ПЛИС - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)». Реализация этого предложения позволяет организовать производство сложных аналоговых систем с применением ПЛИС без дополнительных материальных затрат. Такой подход видится экономически целесообразным и весьма актуальным.

Традиционно ЭЗв строятся на базе операционных усилителей (ОУ) с «обвязкой» из пассивных элементов R и С. Такие схемы сравнительно просты, но не лишены некоторых недостатков, к одному из которых можно отнести ограниченные пределы физической реализуемости [8-11].

В диссертации на основе ПЛИС разработаны оригинальные элементы интегратора, дифференциатора и умножителя/делителя и использованы в качестве ЭЗв аналоговых радиотехнических схем.

Работа состоит из введения, четырех глав и списка использованной литературы. В первой главе содержится обзор состояния и тенденций развития современных ИМС и постановка задачи. Во второй главе проводится исследование применимости методов математического моделирования для описания работы элементарных звеньев аналоговой электроники. В третьей главе описывается разработка алгоритмов функционирования элементарных звеньев. Четвертая глава представляет собой экспериментальную часть и посвящена практической реализации элементарных звеньев и аналогового устройства на их основе. Основной текст изложен на 114 страницах, содержит 7 таблиц, 63 рисунка.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Применение метода структурных матриц для решения нового класса задач -синтеза структурных схем аналоговых устройств.

2. Разработка алгоритмов функционирования элементарных звеньев и устройства на их основе.

3. Результаты машинного моделирования и экспериментальной оценки функционирования ЭЗв и аналогового устройства на их основе.

4. Методика проектирования аналоговых систем на основе ЭЗв в устройстве с ПЛИС.

4.6. Выводы

В настоящей главе для проверки разработанных алгоритмов функционирования элементарных звеньев спроектировано специализированное устройство, представляющее собой отладочную плату с цепочкой «АЦП-ПЛИС-ЦАП». На отладочной плате осуществлена экспериментальная оценка функционирования ЭЗв и устройства на их основе - модулирующего генератора, получены осциллограммы реакции звеньев на тестовые сигналы. Сделаны выводы по результатам эксперимента, говорящие о том, что полученные результаты согласуются с теоретическими положениями. В конце главы представлена методика проектирования аналоговых устройств на основе ЭЗв в устройстве с ПЛИС.

Заключение

Основным результатом работы является повышение эффективности реализации аналоговых радиотехнических устройств за счет формирования их структурной схемы из теоретически обоснованного набора ЭЗв и последующей реализации схемы в системе на базе ПЛИС. Данный подход по сравнению с традиционными решениями позволяет в сжатые сроки, гибко и эффективно реализовывать работу аналоговых радиотехнических устройств.

В свою очередь, применение системы на базе ПЛИС необходимо для подтверждения возможности дальнейшей реализации аналоговых устройств в аналоговых ИМС типа МАБИС и ПАИС, элементарными архитектурными ячейками которых будут являться элементарные звенья - пропорциональное, интегрирующее и дифференцирующее.

Для достижения поставленной цели и задач исследования поэтапно выполнены следующие действия:

1. Анализ состояния и тенденций развития современных ИМС для реализации аналоговых радиотехнических устройств, обоснование выбора ПЛИС для дальнейшего применения в работе.

2. Анализ применимости численных методов интегрирования и дифференцирования, используемых для создания алгоритмов функционирования ЭЗв.

3. Обоснование применения метода структурных матриц для решения нового класса задач - синтеза структурных схем аналоговых радиотехнических устройств.

4. Разработка алгоритмов функционирования ЭЗв и модулирующего генератора на их основе.

5. Экспериментальная оценка функционирования ЭЗв и модулирующего генератора на их основе на отладочной плате с ПЛИС.

6. Разработка методики проектирования аналоговых устройств на основе ЭЗв.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Обоснована возможность применения ПЛИС для реализации ЭЗв с требуемыми характеристиками.

2. Расширена применимость метода структурных матриц на новый класс задач -синтез структурных схем аналоговых устройств.

3. Разработаны алгоритмы функционирования ЭЗв и аналогового устройства на их основе.

4. Разработана методика проектирования аналоговых систем на основе ЭЗв в устройстве с ПЛИС.

Получены следующие практические результаты:

1. Осуществлена экспериментальная оценка функционирования ЭЗв -пропорционального, интегрирующего и дифференцирующего.

2. Осуществлена экспериментальная оценка функционирования аналогового устройства - модулирующего генератора - на основе ЭЗв в устройстве с ПЛИС.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный подход и методика проектирования аналоговых устройств позволяет в сжатые сроки, эффективно, гибко и с приемлемой точностью реализовывать работу аналоговых радиотехнических устройств.

Разработанные в диссертационной работе методика, программное, аппаратное и методическое обеспечение используются в промышленности, в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики. Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются при изучении курса «Проектирование логических систем» на кафедре РТУиС МИЭМ.

1. Ильин В.Н. Машинное проектирование электронных схем. М.: Энергия, 1972.

2. Харкевич А.А. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Наука, 1965.

3. Шило Аналоговые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь, 1967.

4. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для студентов втузов/ Топчеев Ю.И. М.: Машиностроение, 1989. -752 е.: ил.

5. Мишин Г.Т. Естественно-научные основания аналоговой микроэлектроники. М.: МИЭМ, 2003.- 156 е.: ил.

6. Мишин Г.Т. Новый ряд элементарных звеньев для проектирования линейных динамических систем. Наукоемкие технологии, 2004. №2-3, т.5.

7. Мишин Г.Т. Универсальные аналоговые программируемые ИС: выбор элементарных функциональных узлов. Электроника: Наука. Технология. Бизнес, 2004. № 4.

8. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. М.: Высшая школа, 1983. - 536 е., ил.

9. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники: Учеб. для средн. спец. учеб. заведений. 7-е изд., испр. и доп. - М.: Высшая школа, 2001. - 495 е., ил.

10. К. Шенк, У. Титце Полупроводниковая схемотехника (справочник). М.: 1982. -перевод с нем.

11. Лобарев А.С., Хотунцев Ю.Л. Основы радиоэлектроники, учебное пособие для студентов физических и технолого-экономических факультетов. М.: Агар, 1998. -288 е.: ил.

12. Курбатов А. Программируемые аналоговые интегральные схемы. Жизньпродолжается? // Компоненты и технологии, 2000, №2.