Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

измерительные устройства; медицинскую радиоэлектронную аппаратуру (медицинские электронные диагностические устройства и системы), предназначенную для диагностики физиологического состояния больных, и т.д. [24].

К радиоизмерительным устройствам относятся: анализатор спектров, ваттметр, вольтметр, измерительный генератор сигналов, девиометр, измерители параметров компонентов цепей, характеристик случайных процессов, нелинейных искажений, измерительные устройства СВЧ-диапазона, модулометр, мультиметр, осциллограф, фазометр, характериограф, частотомер.

По физической природе сигналов, несущих информацию (и далее преобразующихся в электрические сигналы радиочастот), диагностические системы делятся на фонографические (звуковые), эхографические (ультразвуковые), радионуклидные ( -приборы), рентгеновские, электрофизиологические, термодиагностические и др.

Различают следующие типы ИС [28]:

–измерительные информационные системы (ИИС) – системы, предназначенные для представления информации в виде, необходимом потребителю. ИИС подразделяют на системы ближнего и дальнего действия (телеизмерительные системы). В зависимости от вида и числа элементов в измерительной части различают многоканальныеИИС или ИИС с параллельной структурой, сканирующиеИИС, или ИИС с последовательной структурой; мультиплицированные ИИС, или ИИС с общей мерой; многоточечные ИИС, или ИИС с параллельно-последовательной структурой;

–измерительные контролирующие системы (ИКС) –системы, предназначенные дляконтроляпараметров технологическогопроцесса,явления, движущегося объекта

ит.п.;

–системы автоматического контроля (САК) – системы, осуществляющие измерение параметров исследуемого объекта с целью определения его предаварийного

иаварийного состояния. САК разделяются на системы непрерывного контроля

исистемы с дискретным последовательным контролем;

–системы технической диагностики (СТД) – системы, осуществляющие измерение параметров исследуемого объекта с целью определения его предаварийного и аварийного состояния, а также непосредственно определяющие и указывающие местонеисправности объекта. СТДподразделяютсянадиагностические, предназначенные для обнаружения неисправности или подтверждения исправности исследуемого объекта, и прогнозирующие, предсказывающие по результатам проверки объекта в предыдущие моменты времени поведение объекта в будущем. По характеру процедуры выработки оценки состояния объекта СТД делят на статистические(решение выносится на основании измерений или проверок сигналов, характеризующих объект), детерминированные (параметры исследуемого объекта сравнивают с параметрами образцового объекта, в качестве которого обычно используют сигналы, имитирующие его поведение). По видам проверок СТД делят на функциональные (выявляют наличиесигнала на выходе объекта при подачесигнала на вход), алгоритмические (проверяется последовательность выполнения функций), логически-

310

комбинационные, или тестовые (на вход подается специальное стимулирующее воздействие (тест), что позволяет выявить неисправность на любом уровне);

–измерительные управляющие системы (ИУС) – система, предназначенные для автоматического управления технологическим процессом, движущимся объектом и т.п.;

–измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединенные совокупности средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе ИИС конкретных измерительных задач.

Основные области применения ИС – научные исследования, испытания и контроль сложных изделий, управление технологическими процессами.

По организации алгоритма функционирования различают:

1) системы с жестким алгоритмом функционирования – алгоритм работы ИС не меняется;

2) программируемые системы – алгоритм работы ИС меняется в соответствии с заранее заданной программой, учитывающей особенности функционирования объекта;

3) адаптивные системы – алгоритм работы, а иногда и структура ИС изменяется

взависимости от изменений измеряемых величин и условий работы объекта исследования.

С целью универсализации ИС все измеряемые и контролируемые физические величины представляют унифицированными электрическими сигналами – это непрерывные, импульсные, кодово-импульсные сигналы, параметры или диапазоны изменения параметров которых нормируются государственными стандартами.

Измерительные системы характеризуют следующие параметры:

–диапазон измерений;

–точность измерений (интервал, показывающий, насколько могут быть неверными показания средства измерения);

–чувствительность (отношение изменения показания СИ к изменению измеряемой величины);

–порог чувствительности (минимальный уровень входного сигнала, который должен бытьдостигнутдляпоявленияразличимыхизменений впоказанияхприбора. Этоверхняя граница мертвой зоны приизменении входногосигнала от нулевогозначения);

–мертвая зона (диапазон значений измеряемой величины, в котором выходной сигнал прибора не изменяется);

–разрешающая способность (дискриминация, минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, различимая с помощью прибора);

–время установления показаний (время успокоения);

–быстродействие (максимальное число измерений с нормированной погрешностью за единицу времени);

–входное сопротивление;

311

–стабильность (повторяемость измерений, способность прибора отображать одни и те же показания при измерении одной и той же величины в течение определённого промежутка времени или при измерении этой величины определённое количество раз);

–сходимость (степень разброса результатов измерений из-за случайных ошибок. Она показывает, насколько близко друг к другу находятся результаты измерений одной и той же величины, проведённых несколько раз при одних и тех же условиях);

–надежность(вероятностьнормальногофункционированияприбора вусловиях, определённых для его эксплуатации).

О точности СИ судят по их погрешностям. Абсолютная погрешность СИ – раз-

ность между показанием прибора и истинным значением A0 измеряемой величины:

п Aп A0 . Относительная погрешность СИ – отношение абсолютной погреш-

ности к истинномузначению измеренной величины: δп п A0 п Aп . Приведен-

ная погрешность СИ – отношение абсолютной погрешности к нормировочному значению D: γ пD . Для приборов с равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой на краю или вне шкалы в качестве величины D выбирают предел измерений. Основная погрешность – это погрешность СИ в нормальных условиях эксплуатации (нормальные температура, влажность, атмосферное давление, напряжение, частота питания и т.п.). Дополнительная погрешность – это погрешность СИ, вызванная отклонением условий эксплуатации от нормальных. Класс точности (КТ) – обобщённая характеристика СИ, указывающая предельные значения допускаемых основныхи дополнительных погрешностей. КТ неопределяет погрешность конкретного измерения, а лишь указывает пределы, в которых она может находиться. Связь между КТ и пределами допустимых погрешностей СИ устанавливается соответствующими стандартами.

Энергообеспечивающие системы

Источники электрической энергии, необходимой для питания любой электронной или радиоэлектронной аппаратуры, принято делить на первичные и вторичные источники электропитания.

К первичным источникам электропитания относят трехфазную (или однофазную) сеть промышленной частоты 50 Гц (для стационарной аппаратуры) и генераторы постоянного или переменного напряжения повышенной частоты 400–500 Гц, химические и солнечные батареи, аккумуляторы (для аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах).

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) выполняют функции преобразования рода тока (выпрямители – преобразование переменного тока в постоянный; инверторы – обратное преобразование), стабилизации и регулировки напряжения и тока, фильтрации различных помех и высших гармоник и т.д. [31].

312

Широкоевнедрениеэлектронных средств вовсесферы человеческой деятельности (быт, автоматизированное проектирование и производство, оборонная техника, космос и т.п.) определяет большой объём технических, эксплуатационных и экономических требований как к самим электронным средствам, так и к составляющим их узлам и устройствам. Одним из таких устройств, входящих в состав практически всех электронных средств, является ИВЭП. Только правильно спроектированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу ЭРЭС за все время его жизненного цикла [32].

С момента появления первого РЭС (радио А.С. Попова) сменилось несколько поколений ЭРЭС, имеющих принципиальные отличия по функциональным возможностям, видуприменяемой элементной базы, конструктивно-технологическим решениям и т.п. Это в равной мере относится как к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и к системам управления сложными техническими объектами. Однако в каждом из видов ЭРЭС, будь то вычислительная машина или система управления роботом, CD-проигрыватель или радиолокационнаястанция, узел управления холодильником или электрокардиографом, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство активных элементов (электронных ламп, транзисторов, микросхем и др.). Наличие в ЭРЭС источника электропитания настолько очевидно, чтона структурной и функциональной электрических схемах этого ЭРЭС он дажене указывается. Оговаривается лишь перечень номиналов напряжений, мощность по выходукаждогоканала и стабильность (если этонеобходимо). Амеждутем при проектировании любого ЭРЭС, даже если оно состоит только из одного транзистора, требуется очень внимательное отношение к источнику электропитания.

При создании ЭРЭС определённого класса и назначения (электронно-вычисли- тельная, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник или система электропитания могут быть подобраны изсерийновыпускаемых промышленностью унифицированных ИВЭП. В некоторых странах существуют фирмы, специализирующиеся на промышленном выпуске источников электропитания,ипотребительимеетвозможностьвыбратьтот,который емунаиболееподходит. Однако, если по эксплуатационным, конструктивным или другим соображениям серийновыпускаемыеисточники ИВЭП неудовлетворяют потребителя, необходимо разработать новый ИВЭП с учётом всех правил и ограничений, специфичных для этого вида ЭРЭС.

Государственными стандартами дано определение ИВЭП как устройства, предназначенного для преобразования подаваемых на ЭРЭС напряжения и тока до оговорённых в технической документации номиналов, показателей стабильности и надёжности.

Применяются также автономные источники электропитания, использующие:

–химико-электрические гальванические элементы;

–электрохимические аккумуляторы;

–биохимические элементы;

–биологические элементы;

313

–оптико-электрические преобразователи (солнечные батареи);

–атомно-электрические устройства;

–механоэлектрические устройства для носимой электроники, преобразующие энергию движения человека в электричество, и др. Проектирование таких источников электропитания весьма специфично [32].

ИВЭП в зависимости от решаемой задачи обеспечивают изменение уровня напряжения, поступающего на вход устройства, его выпрямление, инвертирование, стабилизацию, фильтрацию, защиту или комбинацию этих функций. В связи со спецификой назначения,условий эксплуатациии сразнообразиемпараметров электронных средств источники электропитания должны обеспечивать широкий диапазон варьирования своих параметров. Поэтому целесообразно классифицировать источники по следующим основным характеристикам [32].

1. По виду входной электроэнергии: работающие от сети переменного тока (одноили многофазного); от сети постоянного тока; от сетей переменного и постоянного токов.

Pвых 100 1000 Вт; большой мощности Pвых 1000 Вт . Отдельную группу состав-

ляют источники с выходной мощностью от 1 до 1000 кВт для электропитания приёмных и передающих устройств, установок ионной оптики, технологических установок.

3.По виду выходной электроэнергии: с выходным напряжением переменного тока (одно- и многофазного); с выходным напряжением постоянного тока; комбинированные (с выходными напряжениями переменного и постоянного токов).

4.По номинальному значению выходного напряжения Uвых : с низким

Uвых 100 В, повышенным Uвых =100 1000 В и высоким Uвых > 1000 В напряже-

нием. ИВЭП с уровнем выходного напряжения свыше 1000 В принято называть высоковольтными. У этих источников рабочие цепи находятся под потенциалом относительно «земли», равным рабочему напряжению. Кроме них, используются источники электропитания, рабочиецепи которых находятся под потенциалом относительно «земли» выше рабочего напряжения. Такие источники применяются обычно в радиопередающих устройствах, где уровень потенциала превышает 1000 В. В этом случае источники электропитания называются высокопотенциальными.

5. По степени постоянства выходного напряжения: нестабилизирующие и стабилизирующие. Стабилизирующие источники электропитания обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии влияющих величин (изменении входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др.). Они имеют в своём составе стабилизатор напряжения, который может быть выполнен в виде функционального узла.

314

6.По допустимому отклонению номинала выходногонапряжения: низкой точ-

ности (> 5%); средней точности (1–5%); высокой точности (0,1–1%); прецизионные

(< 0,1 %).

7.По уровню пульсации (переменной составляющей) выходного напряжения постоянного тока: с малым уровнем (< 0,1 %); со средним уровнем (0,1–1 %);

сбольшим уровнем (> 1 %).

8.По числу выходов: одноканальные (один выход) и многоканальные (два и более выхода).

9.По способу стабилизации напряжения:непрерывногои импульсногодействия. Независимо от структурной схемы и схемотехнических решений ИВЭП харак-

теризуются рядом электрических параметров. Назовем основные из них [31]:

– номинальные уровни входного Uвх ном и выходного Uн ном напряжений. В за-

висимости от формы этих напряжений задаются либо действующие, либо постоянные значения напряжений;

– постоянные напряжение Uн и ток Iн нагрузки;

– предельный уровень амплитуды переменной составляющей выходного напряжения Um вых . Часто эта величина задаётся в виде коэффициента пульсаций Kп , ко-

торый может быть определён как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения Um вых к номинальному значению выходного напряжения

– внешняя (нагрузочная) характеристика Uн f Iн –зависимостьнапряжения

на выходе от тока нагрузки.

Кроме перечисленных требований к ИВЭП могут предъявляться дополнительные, определяющие их электрические и конструктивно-технологические характеристики [33].

Вычислительные системы

Электронная вычислительная система, или электронно-вычислительная машина (ЭВМ) – комплекс технических, аппаратных и программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации, вычислений, автоматического управления. Ее основные функциональные узлы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах [34].

Понятие «электронно-вычислительная машина» следует отличать от более широкого понятия «вычислительная машина» (компьютер); ЭВМ является одним из способов воплощения вычислителя. ЭВМ подразумевает использование электронных компонентов в качестве её функциональных узлов, однако вычислитель может быть устроен и на других принципах – механическом, биологическом, оптическом, квантовом и других, работая за счёт перемещения механических частей, движения

315

электронов, фотонов или за счёт других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть аналоговой, цифровой и комбинированной (аналого-цифровой).

Во времена широкого распространения аналоговых вычислительных машин, которые были в подавляющем большинстве электронными, во избежание недоразумений использовали название «цифровая электронная вычислительная машина» (ЦЭВМ) или «счётная электронная вычислительнаямашина» (СЭВМ), подчеркивая, что это устройство осуществляет непосредственно вычисление результата, в то время как аналоговая машина осуществляет процесс физического моделирования с получением результата измерением.

По типу функционирования электронная вычислительная машина может быть цифровой и аналоговой.

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) – устройство, в котором каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической величины природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует какой-либо физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, закон Ома и правила Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, силы Лоренца и так далее).

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление), в чём и состоит ееглавное отличиеот цифровой ЭВМ. Другимпринципиальнымотличием является отсутствиеу АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной и той же вычислительной машины можно решать разнообразные задачи. Решаемая задача (класс задач) жёстко определяется внутренним устройством АВМ и выполненными настройками (соединениями, установленными модулями, клапанами и т. п.). Даже для универсальных АВМ для решения новой задачи требуется перестройка внутренней структуры.

В военной технике исторически выработалось ещё одно название аналоговых вычислительных устройств для управления огнём артиллерии, высотного бомбометания и других военных задач, требующих сложных вычислений, – это счётнорешающий прибор. Примером может служить прибор управления зенитным огнём. Аналоговая техника интересна для военных двумя свойствами: она крайне быстра, в условиях помех работоспособность машины восстанавливается, как только помеха исчезает.

Мозг человека – самое мощное и эффективное «аналоговое устройство» из существующих. И хотя передача нервных импульсов происходит за счет дискретных сигналов, информация в нервной системе не представлена в цифровом виде. Нейрокомпьютеры – аналоговые, гибридные компьютеры (модели, реализованные на цифровых ЭВМ), построенные на элементах, которые работают подобно клеткам мозга

[35].

316

По назначению все АВМ можно разделить на две группы:

–специализированные — предназначены для решения узкого класса задач (или одной задачи);

–универсальные – предназначены для решения широкого спектра задач. Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) имеют ряд принципиальных недо-

статков, которые необходимо учитывать при создании автоматизированных систем управления движением объектов, таких как космические и летательные аппараты, морские суда и т.д. [31].

Впервую очередь это дискретная форма представления данных, которая неизбежно приводит к округлению и неточности представления информации. Увеличение разрядной сетки процессоров позволяет повысить точность, но принципиально не решает проблему: ошибки остаются и накапливаются при выполнении большого количества операций, что приводит к проблеме численной устойчивости вычислительных алгоритмов.

Крометого, решениецелогокласса задач, основанных на использовании диффе- ренциально-интегральных уравнений и лежащих в основе многих задач управления движением, в силу конечно-разностной природы алгоритмов вычисления требует значительных расчётных затрат (в сравнении с простыми операциями). Это делает дорогостоящим или даже невозможным применение таких решений в автономных системах оперативного управления, требующих решения задач в режиме реального времени.

Также следует отметить, что полупроводниковая элементная база компьютеров достаточночувствительна к условиям окружающей среды: температуре, электромагнитным возмущениям, радиации.

Вто же время аналоговые вычислительные машины лишены многих из указанных недостатков. АВМ, существовавшие до экспансии цифровой техники, успешно справлялись со своими задачами и используются до сих пор в системах оборонного назначения. Самыми распространёнными и технически совершенными являлись АВМ на основе электрических элементов.

Сравнение АВМ и ЦВМ показывает, что хотя АВМ тоже выполняют расчёты с погрешностью (правда, она имеет иную причину), они более выигрышны при решении сложных задач, поскольку по своей природе позволяют получать решение в реальном времени. Однако АВМ менее универсальны: в них элементы и структура их взаимодействия определяют и обрабатываемые данные, и способ их обработки, в то время как в цифровых вычислительных машинах элементная база, данные и программа являются различными сущностями, причём изменяемыми почти независимо друг от друга.

Попринципуработы АВМ можноназватьмашинойпараллельногодействия, так как в ней вся схема работает одновременно, т. е. параллельно. Причем быстрота решения не зависит от сложности решаемых задач, так как для этого требуется только увеличить число решающих элементов.

Ваналоговых вычислительных машинах точность решения задачи зависит от качества изготовления узлов и элементной базы. Погрешности решения, найденного

317

с помощью АВМ, получаются вследствие неидеальности работы отдельных решающих элементов, неточности установки их коэффициентов передачи и начальных условий. Результирующая погрешность зависит также от характера и особенностей решаемой задачи. Как правило, погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включенных последовательно. Практически можно считать, что погрешность при исследовании устойчивых нелинейных систем автоматического управления не превышает нескольких процентов, если порядок набираемой системы дифференциальных уравнений не выше 10-го.

Если необходимо поменять алгоритм решения задачи и соответственно порядок выполнения отдельных операций (т.е. осуществлять программирование на АВМ), то машину необходимо остановить, чтобы выполнить необходимые коммутации согласно формулам решаемой задачи, что обусловливает прерывистый характер работы АВМ и значительно сказывается на ее производительности.

Таким образом, для АВМ характерна малая универсальность (алгоритмическая ограниченность), котораяозначает, чтопри переходеотрешениязадачодногокласса к решению задач другого класса требуется изменять структуру машины и число решающих элементов. Особенности представления исходных величин и построения отдельных решающих элементов ограничивают область применения и точность получаемого результата. В основном с помощью АВМ решают следующие задачи.

Контроль и управление: в системах автоматического управления АВМ используются, какправило, дляопределения или формирования закона управления, длявычисления сводных параметров процесса (КПД, мощности, производительности и др.). Например, АВМ широко применяются для оценки экономической эффективности энергетических систем.

Опережающий анализ, основанный на быстродействии. В режиме опережающего анализа АВМ выполняют функции либо машин-советчиков, когда оператор пользуется результатами полученных на машине расчетов для ручного или полуавтоматического управления, либо управляющих машин, автоматически учитывающих текущие характеристики процесса и управляющих им по оптимальным показателям.

Экспериментальное исследование поведения системы саппаратурой управления или регулирования в лабораторных условиях. С помощью АВМ воспроизводится та часть системы, которая по каким-либо причинам не может быть воспроизведена в лабораторных условиях.

Анализ динамики систем управления или регулирования. Заданные уравнения объекта решаются в выбранном масштабе времени с целью нахождения основных параметров, обеспечивающих требуемое протекание процесса. АВМ резко сокращает время проведения расчетов и делает наглядными результаты. Решение задач синтеза систем управления и регулирования сводится к подбору по заданным техническим условиям структуры изменяемой части системы, функциональных зависимостей требуемого вида и значений основных параметров.

318

Определение возмущений или полезных сигналов, действующих на систему.

В этом случае по дифференциальным уравнениям, описывающим динамическую систему, по значениям начальных условий, известному из эксперимента характеру изменения выходной координаты и статистическим характеристикам шумов в измеряемом сигнале определяется значение возмущения или полезного сигнала на входе.

АВМ может также служить для построения приборов, автоматически регистрирующих возмущения и вырабатывающихсигналуправленияв зависимости от характера и размера возмущений.

Сфера применения АВМ ограничивается преимущественно промышленным производством, военной сферой, транспортом, авиацией, наукой. Данный класс вычислительных машин оперирует толькоконкретными числами и дает толькочастные решения.

Таким образом, фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя иханалоговыевариантывсё ещёиспользуются для некоторых специальных целей. Следует упомянуть, что возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислителях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Примерами аналоговых вычислителей (от простого к сложному) являются: номограмма, логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.

Основные технические характеристики АВМ:

–максимальный порядок решаемых уравнений;

–диапазон изменения переменных величин;

–максимальное время интегрирования;

–дрейф нуля усилителей за период;

–максимальные статическая и динамическая погрешности вычисления алгебраических функций, %;

–быстродействие.

Основной технической характеристикой цифровых компьютеров является производительность – объективная количественная мера работы машины. Используют следующие меры производительности: пиковую, номинальную, системную и эксплуатационную (рисунок 3.19) [36].

Пиковая производительность – среднее число коротких операций типа «ре- гистр–регистр» в секунду (оп/с) без операций обмена с ОП. На западе пиковую производительность оценивают для команд типа «Нет операции»в миллионах операций

319