Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра ИВК ЛА
Лекция № 3 «Аналоговые вычислительные устройства и функциональные узлы»
по дисциплине
«Функциональные узлы измерительно-вычислительных комплексов»
(Региональный компонент)
для специальности: 200103 «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы»
Форма обучения - очная
Разработчик канд. техн. наук, доц. Прохоров А.А.
декабрь 2011 г.
Лекция обсуждена и одобрена на заседании кафедры,
протокол № от января 2012 г.
Лекция № 3 «Аналоговые вычислительные устройства и функциональные узлы»
Вопросы лекции:
Применение вычислительных устройств АВМ».
Суммирующие схемы.
Интеграторы.
Дифференциаторы.
Компараторы.
Рекомендуемая литература Основная
Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: ВНИ-СПб, 2004. – 518с.
Алексеенко, А.Г. Основы микросхемотехники. М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ. – 2002. – 448 с.
Браммер, Ю.А., Пащук, И.Н. Импульсные и цифровые устройства.- М: Высшая школа. 2003. – 351 с.
Дополнительная
Алексенко, А.Г., Шагурин, И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь. – 1982. – 414 с.
Домрачеев, В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат. – 1987. – 392 с.
Низэ, В.Э., Антик И.В. Справочник по средствам автоматики. М: Энергоатомиздат. – 1983. – 504 с.
В течение последних лет в практике решения различных задач, в том числе и краевых, широко применяют комбинированные вычислительные устройства, получившие название аналого-цифровых вычислительных машин. В этих устройствах используются преимущества как аналоговых, так и цифровых машин. В аналого-цифровых вычислительных устройствах такие качества, как быстродействие и наглядность одних машин и точность и универсальность других, могут взаимно дополнять друг друга, благодаря чему выполняются вычислительные работы, недоступные машинам ни одного из рассмотренных типов.
Развитие работ по созданию таких устройств может идти как в направлении образования вычислительных комплексов с использованием АВМ и ЦВМ общего применения, так и в направлении разработки специализированных аналого-цифровых вычислительных машин.
Благодаря трудам ведущих отечественных и зарубежных ученых в области подземной гидродинамики и разработки нефтяных месторождений создан ряд методических руководств, разработаны вопросы применения современных численных методов и внедрены в практику разработки месторождений новейшие цифровые, аналого-цифровые вычислительные машины и электрические сеточные модели.
Все средства вычислительной техники, которые используются в настоящее время для расчета водопроводных сетей можно разделить на три большие группы: электронные вычислительные машины (ЭВМ); аналоговые вычислительные машины (АВМ) и аналого-цифровые вычислительные машины. Последние, несмотря на свои несомненные достоинства, пока практически не применяются.
Аналоговые вычислительные машины пригодны только для регулирования малых объектов, поскольку с их помощью можно поддерживать оптимальные значения небольшого количества параметров. Нужно еще упомянуть об аналого-цифровых вычислительных машинах, которые называют гибридными вычислительными машинами. В них сочетаются лучшие свойства обоих типов вычислительных машин, и они также используются для управления процессом.
Вычислительные машины в зависимости от способа представления перерабатываемой информации делят на аналоговые и цифровые. Вместе с тем существуют также и комбинированные аналого-цифровые вычислительные машины, сочетающие в себе как аналоговый, так и цифровой принцип действия ЦВМ), поскольку эффективность практически всех методов поиска на ЦВМ сильно зависит от начальных приближений. Большой интерес представляет также использование для идентификации аналого-цифровых вычислительных машин, позволяющих совместить быстроту аналоговых и точность цифровых методов.
Применение АВМ не исключает возможности использования ЦВМ, и наоборот. Например, если для решения задачи требуется провести большой объем вычислений с высокой точностью, то можно сначала грубо прикинуть возможные варианты решения на АВМ, а затем получить окончательный ответ, вводя полученные данные в ЦВМ. Существуют также комбинированные (гибридные) аналого-цифровые вычислительные машины. Обычно в комбинированных машинах аналоговые блоки выполняют интегрирование, а цифровые рассчитывают нелинейные функции, запоминают промежуточные результаты, дают управляющие команды аналоговым блокам и выполняют другие логические операции. Поскольку способы ввода, обработки и выдачи информации в АВМ и ЦВМ резко различаются, в комбинированные машины необходимо вводить аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Применение АВМ не исключает возможности использования ЦВМ, и наоборот. Например, если для решения задачи требуется провести большой объем вычислений с высокой / точностью, то можно сначала грубо прикинуть возможные варианты решения на АВМ, а затем получить окончательный ответ, вводя полученные данные в ЦВМ. Существуют также комбинированные (гибридные) аналого-цифровые вычислительные машины. Обычно в комбинированных машинах аналоговые блоки выполняют интегрирование, а цифровые рассчитывают нелинейные функции, запоминают промежуточные результаты, дают управляющие команды аналоговым блокам и выполняют другие логические операции. Поскольку способы ввода, обработки и выдачи информации в АВМ и ЦВМ резко различаются, в комбинированные машины необходимо вводить аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Приведенная система уравнений достаточно точно описывает процесс вытеснения нефти водой в системе скважин при заводнении нефтяных пластов. При использовании цифровых вычислительных машин конечна-разностная аппроксимация проводится, как правило, по всем переменным, входящим в уравнение в частных производных. Решение задач на аналоговых вычислительных машинах позволяет проводить аппроксимацию только по пространственным переменным, оставляя непрерывной координату времени. Для аналого-цифровых вычислительных машин в зависимости от состава применяемого оборудования могут использоваться те или иные методы аппроксимации.
При осуществлении встречи в космическом пространстве входные данные могут поступать от допплеровской радиолокационной установки, оптического дальномера или оптического устройства слежения. Для того чтобы определить расстояние до объекта и его скорость, входные данные необходимо преобразовать. Если на индикаторе должно быть отображено по 50 бит информации для каждого из 10 объектов. При отображении протекающего во времени процесса в большинстве случаев эти вычисления нужно выполнить в течение нескольких секунд. Если удается устранить избыточную информацию и использовать аналого-цифровые вычислительные машины, то можно будет уменьшить объем вычислений до приемлемой величины и т.д.
Аналоговые устройства обработки сигналов продолжают занимать важное место в промышленной электронике. Это объясняется тем, что большинство типов первичных преобразователей физических величин — датчики температуры, давления и пр. — являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления — электродвигатели, электромагниты и т.п. — управляются непрерывно изменяющимся электрическим током. Сложные системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого_цифровых устройств. Все это стимулирует ежегодное появление в мире многих десятков новых моделей аналоговых и аналого-цифровых интегральных микросхем (ИМС). С точки зрения технологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые (монолитные, твердотельные) — изготавливаемые целиком на одной пластине кремния и гибридные — у которых резисторы, конденсаторы и соединительные проводники изготавливаются методами пленочной технологии, а бескорпусные активные элементы в виде чипов приклеиваются на пассивную часть схемы. Гибридные ИМС дороги, менее надежны и применяются обычно в тех случаях, когда отсутствуют монолитные ИМС с необходимыми параметрами. Поэтому большинство современных моделей ИМС монолитные.