автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Времяимпульсные преобразователи с разделением времени

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Системный анализ предметной области времяимпульсных преобразователей

12 Классификация и эволюционный анализ времяимпульсных устройств для рассматриваемых задач.

13 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ВРЕМЕНИ.

2.1 Линейный демодулятор с разделением времени.

2.2 Нелинейный демодулятор с разделением времени.

2.3 Линейный широтно-импульсный модулятор с разделением времени.

2.4 Нелинейный широтно-импульсный модулятор с разделением времени.

2.5 Выводы.

3 БАЗОВЫЕ СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ВРЕМЕНИ.

3.1 Структурные схемы демодуляторов, построенных по принципу разделения времени.

3.2 Структурные схемы модуляторов, построенных по принципу разделения времени.

3.3 Пути повышения эффективности времяимпульсных преобразователей с разделением времени.

3.4 Выводы.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВИП-РВ.

4.1 Применение моделирования для анализа работы ВИП-РВ.

4.2 Подготовка к моделированию структур ВИП-РВ.

4.3 Исследование свойств базовой структуры ВИП-РВ.

4.4 Испытание макета базовой структуры ВИП-РВ.

4.5 Инженерная методика проектирования ВИП-РВ.

4.6 Выводы.

Ведущая тенденция эволюции элементов и устройств в автоматике и вычислительной технике всегда связана с проблемой повышения качества оборудования. Обычно требуются устройства более точные, более быстрые, чем были доступны ранее, самонастраиваюш,иеся частично или полностью, с большей устойчивостью к сбоям и имеющие при этом разумный уровень сложности.

Времяимпульсные устройства удовлетворяют всем этим критериям в наибольшей мере. Они используют времяимпульсные сигналы, т.е. сигналы, состоящие из импульсов электрической или иной природы, у которых есть несколько информативных параметров, причем часть из этих параметров задействуют время в том или ином качестве. В таких устройствах времяимпульсные сигналы, как и любые другие, создаются, используются и преобразуются в различные формы по определенным законам. Современные времяимпульсные устройства нельзя считать цифровыми или аналоговыми: в них, так или иначе, применяются и те, и другие методы. При этом информация, содержащаяся во времяимпульсных сигналах, выделяется и интерпретируется соответствующим образом.

На ранних этапах развития электроники точное задание промежутков времени было одной из основных проблем. Для этой цели использовались сложные конструкции из резистивных и емкостных компонентов, стабильность и воспроизводимость характеристик которых находились значительно ниже желаемого уровня. В тот период реализация образцовых источников напряжения и тока была существенно проще и эффективнее, что отражалось на схемотехническом стиле тогдашних устройств, а также на типах используемых датчиков и информационных сигналов.

С появлением кварцевых приборов и освоением их серийного выпуска, оперировать временными интервалами стало значительно удобнее, чем напряжениями и токами. Это обусловлено тем, что в настоящее время имеется широчайший выбор разнообразных устройств общего применения, задающих и фиксирующих временные интервалы, от простых кварцевых резонаторов до многофункциональных программируемых таймеров. Кварцевые устройства отличаются очень высокой стабильностью и повторяемостью характеристик, при этом предельные частоты, доступные для воспроизведения, измеряются в гигагерцах. Размеры, потребляемая мощность, а также стоимость этих компонентов практически незаметны на фоне остальных деталей, составляющих современные электронные изделия. В обобщенном, философском смысле можно говорить о лучшей квантуемости времени по сравнению с другими параметрами сигналов.

Надежность и достоверность работы устройств возрастает вместе со степенью интеграции компонентов, используемых в них. Это связано, в частности, с уменьшением непосредственного участия разработчика в процессе проектирования и изготовления устройств. Кроме того, с уменьшением размеров конструктивных блоков уменьшается и степень влияния разнообразных помех на происходящие внутри устройства процессы. При том, что степень интеграции цифровых узлов достигла на сегодняшний день весьма высоких значений (количество транзисторов, формируемых на одной подложке, измеряется в настоящее время десятками миллионов [51, 52]) и продолжает увеличиваться, аналоговые устройства все еще строятся на основе дискретных компонентов и компонентов с малой степенью интеграции - единицы операционных усилителей или ключей в одном корпусе микросхемы. Причина состоит в том, что аналоговые схемы исходно обладают существенно меньшими возможностями ин-тегрализуемости, так как реализовать на кремниевой пластине столь часто применяемые прецизионные резисторы, так же, как и конденсаторы большой емкости, не представляется возможным. Кроме того, цифровые схемы практически не нуждаются в настройке, в то время, как аналоговые обычно содержат некоторое количество компонентов, параметры которых подбираются при регулировании конкретного образца для обеспечения требуемого уровня точности.

Рассматриваемые в диссертационной работе структуры и методы направлены на решения именно задач повышения точности, быстродействия и технологичности электронных изделий. Эти результаты достигаются за счет применения принципа разделения времени, позволяющего снизить влияние реальных характеристик компонентов на функции устройств.

В последние годы появляются сообщения о разработке аналоговых микросхем, обеспечивающих настройку внутренних связей программным путем, подобно так называемым программируемым логическим интегральным схемам (ПЛИС). Программируемые архитектуры имеют много преимуществ перед архитектурами с жесткими связями и логикой. В частности, они позволяют формировать и тестировать прототип вновь разрабатываемого устройства "в железе", причем проделывать это несколько раз подряд для схем, различающихся функционально и по топологии, не изменяя при этом аппаратной конфигурации макета. При этом тестируемое устройство максимально приближено к конечному продукту, оно может отличаться лишь топологией внутрикристальных связей. По скорости и удобству получения результата программирование макета сравнимо только с моделированием устройства на компьютере. Такая возможность существенно сокращает длительность цикла проектирования устройства в части опытно-конструкторских работ. При этом результат макетирования значительно достовернее результата модельного эксперимента, так как позволяет учесть ряд специфических факторов, недоступных во втором случае. К ним, в частности, относятся реальные задержки распространения сигналов в линиях связи печатного монтажа, сопротивление контактов разъемных соединителей, внешние электромагнитные помехи.

Подавляющее большинство задач сегодняшней электроники предполагает наличие в электронных структурах сигналов не только непрерывных или дискретных, но и смешанных, причем с обязательной цифровой обработкой. Поэтому наметилась тенденция применять в одной разработке разрозненные аналоговые компоненты с устройствами типа Field Programmable Gate Array

FPGA), a также совмещать FPGA с программируемыми аналоговыми массивами типа Field Programmable Analog Array (FPAA). Это дает возможность наилучшим образом решать поставленные технические задачи в целом, с учетом их особенностей и особенностей архитектуры самих устройств.

Предлагаемые в настоящей работе структурные решения отвечают принципам модульности, что делает их пригодными к реализации в интегральном исполнении в виде набора программируемых базовых ячеек. Их высокая адаптивность и коммутационные возможности дают способ создания настраиваемых аналоговых и смешанно-сигнальных архитектур.

Альтернативной по отношению к программируемым структурам ветвью развития интегральных микросхем является технология микросхем с узкой специализацией, предназначенных для решения конкретных задач (Application-Specific Integrated Circuits, ASIC). В настоящее время, с развитием средств CAD/CAM и соответствующей производственной инфраструктуры, появилась экономически оправданная возможность изготовления полностью заказных микросхем сверхмалыми тиражами (от 100 штук), подобно платам с печатным монтажом. Этот подход получил особое распространение в Европе, в частности, в рамках высокотехнологичных программ "EUROCHIP", "COPERNICUS" и "EUROPRACTICE" [58].

Для успешного проектирования таких микросхем необходимо иметь в распоряжении библиотеки типовых элементов и решений из них, проработанные на схемотехническом уровне. Вопросы, затрагиваемые в настоящем исследовании, представляются в этой связи актуальными, так как разработанные решения могут широко применяться при создании подобных библиотек. Таким образом, задача исследования состоит не только в плане повышения интеграли-зуемости проектируемых устройств при сохранении высоких точностных и скоростных характеристик, но и в плане функциональной универсализации структур с обеспечением эффективного управления их функционированием. Существенной является также высокая адаптивность схемных решений к различным вариациям параметров, имеющим место при серийном производстве, что должно ликвидировать потребность в настройке каждого экземпляра устройства в отдельности.

Целью диссертационной работы является развитие подкласса усредняющих ВИП посредством применения принципа разделения времени. Вследствие этого ВИП приобретают новые качества, обеспечивающие их более широкзАю применимость в технике.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВИП-РВ - времяимпульсные преобразователи с разделением времени

ГРН - генератор развертывающего напряжения

ИОН - источник опорного напряжения

РГУДН - импульсно-управляемый делитель напряжения

ЛИУП - линейная импульсно-управляемая проводимость

ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы

РИ - распределитель импульсов

УВХ - устройство выборки-хранения

УГО - условное графическое обозначение

УСО - устройство связи с объектом

ЦНФ - цифровой накапливающий формирователь

ЧИМ - частотно-импульсная модуляция (модулятор)

ШИМ - широтно-импульсная модуляция (модулятор)

CPLD - Complex Programmable Logical Device

DCM - Duty Cycle Modulation

FPAA - Field Programmable Analog Array

FPGA - Field Programmable Gate Array

PWM - Pulse Width Modulation

TRAC - Totally Reconfigurable Analog Circuit

FIPSOC - Field Programmable System On a Chip

4.6 Выводы

1 Предложена методика анализа ВИП-РВ, основанная на использовании доступного и открытого пакета MicroSIM Design Center, эффективность которой подтвердилась при проведении модельного эксперимента. При этом для ВИП-РВ были определены условия применения встроенных моделей компонентов и предложены специализированные модели.

2 Смоделирована работа базового времяимпульсного устройства с разделением времени - линейного прецизионного демодулятора, а также его прототипа. Проведенное сравнение этих устройств подтвердило сделанные ранее выводы о повышении точности работы устройств при применении принципа разделения времени.

3 В результате исследований базового устройства выявлена степень влияния параметров компонентов и сигналов на работу ВИП-РВ, а также подтверждена работоспособность структур при вариации этих параметров в разумных пределах.

161

4 Спроектированы и испытаны макетные образцы линейного прецизионного быстродействующего демодулятора с разделением времени, а также его прототипа. Испытания подтвердили полное функциональное соответствие демодулятора и его метрологическую состоятельность. Экспериментально подтверждены наличие и преимущественный характер погрешности от несовпадения сопротивлений входных резисторов двухвходового интегратора.

5 Сформулированы правила построения времяимпульсных преобразователей с разделением времени и предложена инженерная методика проектирования устройств этого класса.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время времяимпульсные сигналы имеют, как и ранее, значительный вес в технике. Представление информации в этой форме широко используется в различных системах. Устройства, работающие в данной предметной области, представляют выделенный класс, что отражено в том числе и в международной патентной классификации. В диссертационной работе показана целесообразность развития времяимпульсных устройств в свете современных требований и тенденций.

В процессе развития подкласс усредняющих времяимпульсных устройств достиг в последние годы своих предельных характеристик. Для преодоления возникших противоречий был разработан и применен принцип разделения времени. Этот принцип хорошо согласуется с современными технологическими тенденциями, которые предполагают минимизацию аналоговой (исполнительной) части устройств за счет увеличения удельного веса логической (управляющей) части.

Целью диссертационной работы являлось развитие подкласса усредняющих ВИП посредством применения принципа разделения времени. Вследствие этого ВИП приобрели новые качества, обеспечившие их более широкую применимость в технике. При выполнении диссертационной работы получены следующие научные результаты.

1, Впервые применен принцип разделения времени для времяимпульсных преобразователей усредняющего типа с запоминающей обратной связью. Уменьшение пространства аналоговых данных было произведено за счет увеличения пространства управления. В результате ликвидирована зависимость функциональных характеристик этих устройств от неидентичности параметров их информационных каналов.

2. Предложено четыре оригинальных решения (линейный и нелинейный демодуляторы, линейный и нелинейный модуляторы), образующие функционально полный базис для создания структур ВИП-РВ с разделением времени.

163

3. Достигнута общность предложенных решений, которая, в сочетании со снятием требований к точности резисторов, позволяет использовать эти устройства в качестве основы для интегральных коммутируемых аналоговых архитектур, что отвечает современным тенденциям развития технологии.

4. Произведен анализ информационных процессов, происходящих в ВИП-РВ. Предложена и применена методика оценки характеристик этих процессов в устройствах. Показан волновой характер движения информации в комбинированных структурах ВИП-РВ.

5. Синтезирован универсальный базовый блок ВИП-РВ и рассмотрены различные варианты синтеза решающих структур ВИП-РВ. Предложены пути повышения эффективности и достоверности работы ВИП-РВ посредством различных видов аппаратной избыточности.

6. С помощью модельного и натурного экспериментов доказаны заявленные новые качества у ВИП-РВ и подтверждена функциональная устойчивость ВИП-РВ при вариации параметров информационных каналов.

7. Разработана инженерная методика проектирования ВИП-РВ.

1. 750 практических электронных схем: Справочное руководство. Пер. с англ. /Сост. и ред. Р. Фелпс. - М.:Мир, 1986.

2. A.C. 1008900 СССР МШЛ H 03 К 13/02. Преобразователь код аналог. /Угрюмов Е.П., Мурсаев А.Х., Добрынин Ю.А. - Опубл. 30.03.1983. - Бюл. №12.

3. A.C. 1123038 СССР, МКИ* G 06 G 7/22. Время-импульсное вычислительное устройство. /Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Машенков В.М., Герасимов И.В Опубл. 07.11.1984. - Бюл. №41.

4. A C. 1133599 СССР, МКИ1* G 06 G 7/22. Время-импульсное вычислительное устройство. /Герасимов И.В., Гришков О.В., Костичев C.B., Ро Ю.И., Угрюмов Е.П. Опубл. 07.01.1985.-Бюл. №1.

5. A C. 1141426 СССР МКИ1* G 06 G 7/20. Время-импульсный квадратичный преобразователь /Исакеев А.И., Герасимов И.В., Евстигнеев А.Н., Филиппов Е.В, Хлуденев A.B. -Опубл. 23.02.1985. Бюл. №7.

6. A.C. 1150631 СССР, МКИ"* G 06 G 7/20. Время-импульсный квадратичный преобразователь. /Герасимов И.В. Опубл. 15.04.1985. - Бюл. №14.

7. A C. 1160445 СССР, МКИ"* G 06 G 7/20. Время-импульсный квадратичный преобразователь. /Герасимов И.В., Гришков О.В., РоЮ.И., Угрюмов Е.П., Хлуденев A.B. Опубл. 07.06.1985.-Бюл. №21.

8. A.C. 1188760 СССР, МКИА G 06 G 7/20. Время-импульсный преобразователь. /Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Машенков В.М., Герасимов И.В. Опубл. 30.10.1985. -Бюл. №40.

9. A C. 1309292 СССР, МКИ"* H 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Герасимов И.В., Евстигнеев А.Н., Исакеев А.И., Сафьянников Н.М., Филиппов Е.В.-Опубл. 07.05.1987. Бюл. №17.

10. A C. 1385285 СССР, МКИ"* H 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Матвеев И.М. Опубл. 30.03.1988.-Бюл. №12.

11. A C. 1406610 СССР, MKPf* G 06 G7/20. Времяимпульсный квадратичный преобразователь. /Евстигнеев А.Н., Потоцкий А.П., Герасимов И.В., Сафьянников Н.М. Опубл. 30.06.1988.-Бюл. №24.

12. A C. 1508347 СССР, МПК* H 03 M1/66. Преобразователь код аналог. /Сафьянников Н.М., Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Потоцкий А.П. - Опубл. 20.03.1999. -Бюл. №8.

13. A.C. 1619391 СССР, МКИА h 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Ерихов М.М., Островский М.Я. Опубл. 07.01.1991. - Бюл. №1.

14. A.C. 1644370 СССР, МКИА И 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Евстигнеев А.Н, Кузьмина Т.Г., Потоцкий А.П., Сафьянников Н.М., Соколов Ю.Д., Че-реватый A.B. Опубл. 23.01.1991. - Бюл. №15.

15. A.C. 1832370 РФ, МКИА H 03 К 7/08. Устройство для широтно-импульсной модуляции. /Килин И.Г. Опубл. 07.08.1993. - Бюл. №29.

16. A.C. 286358 СССР МКИА G 06 G 7/20. Времяимпульсный квадратичный преобразователь. /Смолов В.Б., Угрюмов Е.П. Опубл. 10.11.1970. - Бюл. №34.

17. A.C. 432671 СССР МША H 03 К 7/08. Широтно-импульсный модулятор. /Богославский A.B., Закидальский А.И., Шукайло Е.М. Опубл. 15.06.1974. - Бюл. №22.

18. A.C. 502383 СССР MKVf G 06 G 7/20. Квадратично-множительный преобразователь. /Смолов В.Б. Опубл. 05.02.1976. - Бюл. №5.

19. A.C. 731573 СССР, МШЛ H 03 К 7/08 Широтно-импульсный модулятор. /Смолов В.Б., Герасимов И.В., Угрюмов Е.П., Толстобров Б.Я., Гольденберг М.Л., БайковМ.С, Сафь-янников Н.М. Опубл. 30.04.1980. - Бюл. №16.

20. Абрамов Г.Н. Преобразователи аналог-аналог, аналог-код и код-аналог рециркуляционного типа. Тольятти:Поволж. техн.ин-т сервиса, 1998

21. Абрамов Г.Н. Рециркуляционные преобразователи время-код и код-время. Тольят-ти:Издательский дом "Довгань", 1995

22. Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. -М.:1965.

23. БайковМ.С, Герасимов И.В. Устройства для возведения в квадрат время-импульсного типа.//Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1975. - №7. - С.66-68.

24. Байков М.С., Угрюмов Е.П. О возможностях применения одного вида плавной аппроксимации непрерывных функций для построения функциональных преобразователей. //Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1977. - №6. - С.54-57.

25. Боборыкин A.B., и др. Однокристальные микроЭВМ. М.МИ1САП, 1994.

26. Герасимов И.В. Теория, проектирование и применение ; вычислительно-преобразовательных цепей (синтез и реализация): Автореф. дисс. на сойск. уч. ст. д.т.н. -Л:ЛЭТИ, 1986.

27. Герасимов И.В., Костичев СВ. Анализ динамических свойств время-импульсных квадратичных демодуляторов. //Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1981. - №11. - С.63-67.

28. Герман-Галкин СГ. Широтно-импульсные преобразователи. Л.:Энергия, 1979.

29. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. М.:Мир, 1989.

30. Гутников B.C. Применение операционных усилителей в измерительной технике. -Л.:Энергия, 1975.

31. Келехсаев Б.Г. Нелинейные преобразователи и их применение. Справочник. М.:Солон-Р, ООО "Пандора-1", 1999.

32. Козанне А., Флере Ж., Матр Г. и др. Оптика и связь: оптическая передача и обработка информации. Пер. с фр. М.:Мир, 1984.

33. Корн Г, Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. -М.:Наука, 1970.

34. Кузин А.Ю. и др. Датчики теплотехнических и механических величин. -М.:Энергоатомиздат, 1996.

35. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. -М.:Машиностроение, 1986.

36. Локотков А. Устройства связи с объектом. Модули фирмы Advantech. //КомпьютерПресс. 1998.-№8.-с.275-282.

37. Муравник Д.Л. Классификация и развитие усредняющих времяимпульсных преобразователей. //Вестник молодых ученых. Технические науки. 2001. - №6.

38. Ноултон Д. Точный интегратор с непрерывным сбросом. //Электроника. 1972. - т.45, №18.-0.41-45.

39. Патент на изобретение №2149449 РФ МПКЛ G 06 G 7/20. Времяимпульсный квадратичный преобразователь. /Сафьянников Н.М., Муравник Д.Л. Опубл. 20.05.2000. - Бюл. №14.

40. Патент на изобретение №2159506 РФ МПКЛ Н 03 М 1/66 Преобразователь код аналог. /Сафьянников Н.М., Муравник Д.Л. - Опубл. 20.11.2000. - Бюл. №32.

41. Патент на изобретение №2171011 РФ МПК'' Н 03 К 7/08. Линейный широтно-импульсный модулятор. /Сафьянников Н.М., Муравник Д.Л. Опубл. 20.07.2001. - Бюл. №20.

42. Пустыльников В.М. Частотные и времяимпульсные преобразователи следящего уравновешивания. //Измерения, контроль, автоматизация. 1981. -№1 - С.9-17.

43. РазевигВ.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). М.:СК Пресс, 1996.

44. Ремез Е.Я. Общие методы чебышевскогО приближения. Киев:Наукова думка, 1962.

45. Сафьянников Н.М., Муравник Д.Л. Семейство быстродействующих элементов прецизионного усреднения для управляющих систем //Управление в технических системах: материалы научно-технической конференции. Ковров: КГТА, 1998. - С. 190-191.

46. Смолов В.Б, Угрюмов Е.П., Артамонов А.Б., и др. Время-импульсные вычислительные г устройства./Под ред. В.Б. Смолова, Е.П. Угрюмова. М.:Радио и связь, 1983.

47. Чернов В.Г. Устройства ввода-вьшода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных. М.:Машиностроение, 1988.

48. Jacobsen Е. Creating а PWM Output Sensor Using а Field Programmable Analog Array. //Sensors.-May,1998.

49. Jacobsen E. Signal Conditioning a Pressure Sensor With a Field Programmable Analog Array. //Sensors.-Nov.,1997.-Vol. 14.-No.l 1:12-17.