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

Рассмотрим упрощенные примеры моделей состава для некоторых систем (таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Примеры моделей состава некоторых систем

При построении модели состава системы нужнопомнить, чтоэтонетривиальная задача в силу следующих факторов.

1.У разных экспертов (системотехников, схемотехников) существует разная степень знания системы. Крометого, один и тот жеэксперт в разных условиях может предложить разные модели.

2.Разные модели состава получаются вследствие того, что понятие элементарности можно определить по-разному. То, что с одной точки зрения является

18

элементом, с другой – оказывается подсистемой, которая может быть разделена на составляющие части.

3.Модель состава является целевой, и дляразличных целей один и тот жеобъект потребуется разделить на разные части. Например, модель одной и той же радиостанции для военных и гражданских будет состоять из различных подсистем.

4.Модели состава различаются потому, что всякое разделение целого на части, всякое разделение системы на подсистемы является относительным. Например, звуковую картуперсональногокомпьютера можноотнести к системномублокулибо

какустической системе. Другими словами, границы между подсистемами условны, относительны.

Это также относится и к границам между самой системой и надсистемой, включая окружающую среду.

Модель состава системы отображает, из каких частей (подсистем и элементов) состоит система. Главнаятрудность в построении модели состава заключается в том, что разделение целостной системы на части является относительным, условным, зависящим от целей моделирования (это относится не только к границам между частями, но и к границам самой системы). Кроме того, относительным, как говорилось выше, является и определение самой малой части –функционального элемента.

Для упрощения работы с существующими подсистемами и элементами, составляющими ЧЯ, удобно все их многообразие свести к иерархии электронных и радиоэлектронных средств.

4.3.2Классификация функциональных узлов электронных

ирадиоэлектронных средств

Требования полноты, выдвигаемые к модели состава технической системы, работающей на физико-технических принципах электроники, радиоэлектроники

ирадиотехники, приводят к необходимости определения, классификации, описания

ихарактеристики функционально элементарных компонентов ЭРЭС как своеобразных «функциональных атомов» этих средств.

Подфункциональноэлементарнымикомпонентамипонимаютсятакиесредства,

которые изменяют величину отдельного параметра или характеристики процесса и не разлагаются на более элементарные с функциональной точки зрения. Они соответствуют такому уровню разукрупнения РЭС, как функциональный узел (ФУ).

Например, усилитель есть функционально элементарное устройство, так как его невозможно разложить на более элементарные функциональные компоненты. Усилитель (однокаскадный) может быть разложен лишь на элементы принципиального уровня, выполняющие преобразование физических величин: электрорадиоэлементы (резисторы, конденсаторы, дроссели) и электронные приборы (транзисторы, операционные усилители), а также на цепи этих компонентов, соединённых последовательно или параллельно друг с другом со служебной целью – для обеспечения

19

рабочего режима главного, как правило, активного элемента ФУ. Многокаскадный усилитель может быть разложен лишь на отдельные элементарные каскады усилителей.

С другой стороны, преобразователь промежуточной частоты супергетеродинного приёмника не является функциональным узлом, так как он состоит из двух ФУ (гетеродина, т.е. генератора, и смесителя) и может быть на них разложен.

Проведем классификацию функционально элементарных компонентов ЭРЭС. При представлении ФУ моделями «черного ящика» будем полагать, что рассматриваемые ФУ идеальны и работают в идеальных условиях (в отсутствие помех), т.е. на ихвходыпопадаеттолькополезный детерминированный сигнал(сигналы),авыходы не содержат помеховых, мешающих или нежелательных процессов, источником которых могут быть особенности функционирования реального ФУ.

Ввиду того что ФУ в общем случае представляют собой преобразователи процессов разнообразной природы, для их типизации необходимо основываться на классификации полезных процессов (см. рисунок 3.20). Манипуляция величиной каждого отдельно взятого параметра или определённой совокупности параметров процесса (процессов) порождает отдельный класс функциональных узлов. Кроме того, функциональный узел в общем случае может иметь несколько входов и выходов. Исходя из этих соображений, все ФУ можно классифицировать следующим образом.

По природе преобразуемых процессов ФУ можно разделить на преобразователи:

–процессов неэлектрической природы в процессы электрической природы (датчики, антенны и т.д.);

–процессов электрической природы в процессы неэлектрической природы (исполнительные, оконечные устройства и приводы – динамические головки громкоговорителей, электродвигатели, экраны мониторов, оптические индикаторы и т.д.);

–процессов электрической природы в процессы электрической природы (усилители, фильтры, генераторы и т.д.);

–процессов электрической природы в процессы электрической природы с промежуточным преобразованием процессов электрической природы в процессы неэлектрической природы и обратно (фильтр на ПАВ и т.д.).

По типу процессов все ФУ можно разделить на аналоговые, цифровые и смешанные; дискретные, импульсные, стохастические и случайные.

Аналоговые ФУ преобразуют аналоговый процесс с одними характеристиками

ваналоговый процесс с другими характеристиками.

Примерами аналоговых ФУ являются усилитель, пассивный и активный фильтры, генератор гармонических колебаний, аттенюатор и т.д.

20

Цифровые ФУ работают с двоичными импульсными последовательностями и преобразуют цифровой процесс с одними характеристиками в цифровой процесс с другими характеристиками.

Примерами цифровых ФУ являются цифровой фильтр, мультиплексор, демультиплексор, триггер, регистр, суммирующий и реверсивный счетчики, шифратор, дешифратор и т.д.

Смешанные ФУ преобразуют аналоговый процесс в цифровой процесс либо наоборот.

Примерами смешанных ФУ являются аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи.

Дискретныеи импульсныеФУ работают спроцессами, представляющими собой последовательности коротких импульсов, длительность которых не является информативным признаком в отличие от их амплитуды.

Стохастические и случайные ФУ представляют собой генераторы процессов случайной, стохастической или квазислучайной, хаотической природы.

По количеству входов и выходов согласно типологии задач «черного ящика» ФУ делятся на устройства:

–без входа1 и с одним выходом (генератор, все типы датчиков);

–с одним входом и без выхода (с интерфейсным выходом – передающая антенна, головка громкоговорителя);

–с одним входом и одним выходом (усилитель, линия задержки, аттенюатор, детектор, интегратор, дифференциатор, логарифмирующее устройство, антилогарифмирующее устройство, делитель частоты, делитель);

–с двумя входами и одним выходом (сумматор, компаратор, смеситель, модулятор, решающее устройство, коррелометр; двухвходовый логический элемент И-НЕ);

1В данном случае фразу «без входа» не следует понимать буквально. Согласно закону сохранения материи и энергии невозможно, чтобы что-то бралось из ничего. Другими словами, процесс на выходе генератора получается как результат автоматического управления энергией, подводимой к нелинейному элементу генератора от постоянного источника электропитания. Однако в силу традиции и договоренности между специалистами согласно отечественным стандартам в УГО генератора принято указывать один выход и не указывать вход. К тому же, как правило, сам источник электропитания на электрических структурных схемах также не показывается. Что касается датчиков, то на СЭС они также обозначаются с одним выходом без входа, так как являются интерфейсами системы и преобразуют внешние по отношению к ней процессы неэлектрической или электрической природы в процессы электрической природы. Аналогичным образом обстоит дело с оконечными и исполнительными устройствами. Таким образом, на СЭС отображаются только те ФУ, которые выполняют преобразования процессов электрической природы в процессы той же природы.

21

–с несколькими входами и одним выходом (сумматор, решающее устройство, пороговое устройство; трёхвходовый логический элемент ИЛИ-НЕ, одновибратор, мультиплексор; электронный ключ);

–с одним входом и несколькими выходами (демультиплексор);

–с несколькими входами и несколькими выходами (аудиостереоусилитель; RSтриггер, D-триггер, двоично-десятичный реверсивный счетчик, дешифратор).

По виду материи, изменение физических свойств которой с течением времени и

впространстве называется процессом, все ФУ можно разделить на работающие:

–с физическими полями – датчик акселерометра, антенна радиотелескопа, ИКдатчик, СВЧ-волноводы;

–с упорядоченными потоками различных физических частиц (радиоактивные излучения, электрический ток, поток ионов и т.п.) – датчик радиации Гейгера, электрический усилитель, электрический фильтр.

По соотношению линейных размеров входящих в ФУ элементов и длины волны процесса различают:

–ФУ и цепи с сосредоточенными параметрами (длина волны много больше линейных размеров элементов) – НЧ-техника;

–ФУ с распределёнными параметрами (длина волны много меньше линейных размеров элементов) – длинные линии, СВЧ-техника, устройства технической электродинамики, антенно-фидерные устройства.

По типу преобразуемого параметра процесса, величина которого подлежит изменению, все ФУ, относящиеся к категориям «один вход», «один выход», «один вход – один выход», можно разделить на устройства, осуществляющие преобразование:

–амплитудно-временных параметров2 (преобразователи амплитуды, фазы, формы процесса, динамического диапазона, длительности импульсов, периода) – усилитель, аттенюатор, компрессор, экспандер (расширитель динамического диапазона), амплитудный ограничитель, стабилизатор уровня, линия задержки, фазоинвертор, фазовращатель, дискретизатор, квантователь уровня;

2 Необходимо отметить, что данная классификация не является строгой из-за однозначной связи между амплитудно-временными и спектральными параметрами процессов, определяемыми теорией Фурье. Другими словами, одно и то же устройство можно отнести к разным классификационным категориям. Поэтому мы дополнительно принимаем, что определяющим классификационным признаком является то, какому представлению процессов отдается предпочтение в рамках конкретной задачи. Так, например, амплитудный ограничитель изменяет форму сигналов при условии, что их амплитуда превосходит наперед заданный порог, следовательно, согласно теории Фурье он также изменяет спектр ограничиваемых сигналов. Поэтому амплитудный ограничитель можно отнести и к категории устройств, изменяющих амплитуду процесса, и к категории устройств, изменяющих спектральные свойства этого процесса. Однако назначение амплитудного ограничителя заключается в предохранении последующих за ним цепей от кратковременных всплесков процесса, что отражено в его названии. Поэтому мы относим этот ФУ к амплитудно-временным устройствам.

22

–спектральных параметров (ширины спектра, несущей частоты или центральной частотыспектра)–фильтр, генератор, умножительчастоты, модулятор, детектор (демодулятор), устройства, сужающие спектр, расширяющие спектр, монохроматор;

–пространственно-временных и спектрально-энергетических параметров (энергия, направление распространения и состояние поляризации ЭМВ) – антенна, рефлектор, поляризатор, волноводы и направляющие структуры электромагнитного поля, коммутаторы разветвлённых трактов СВЧ, замедляющие устройства, вентили, ответвители, нагрузки, циркуляторы, фазовращатели.

По типу операций с преобразуемым параметром процесса, величина которого подлежит изменению, ФУ, относящиеся к категориям «один вход – один выход» и «несколько входов – один выход» (а также относящиеся к категории «несколько входов – несколько выходов»), можно разделить на устройства, осуществляющие:

–базовые алгебраические операции с несколькими процессами (сумматоры, вычислители разности, вычислители произведения, делители (вычислители отношения), дифференциаторы, интеграторы, квадраторы (операция возведения в квадрат), ФУ, возводящие в произвольную степень, модуляторы, демодуляторы, логарифмирующие и антилогарифмирующие ФУ, экспоненцирующие ФУ, определители логарифма отношения (для двух переменных), вычислители автокорреляционной функции и взаимной корреляционной функции процессов, суммирующие

иреверсивные логические счетчики);

–базовые логические функции (логические элементы НЕ, И, ИЛИ, а также их комбинации);

–основные и производные разрывные функциональные операции (сравнивающие устройства (компараторы); вентили; вычислители абсолютного значения; вычислители пределов; ФУ с зоной нечувствительности; ФУ, реализующие скачкообразные и окнообразные функции; ФУ, реализующие гистерезис);

–управление величиной параметра одного процесса по закону изменения величины параметра другого процесса (управляемые генераторы, усилители, фильтры; ограничители уровня, модуляторы; дискретизаторы; квантователи уровней сигналов; электронные ключи, логические мультиплексоры и демультиплескоры, шифраторы и дешифраторы (также относятся к категории «несколько входов – несколько выходов»));

–регулирование величины параметра процесса (регуляторы уровня);

–запись, хранение, сдвиг и вывод информации (триггеры, регистры).

Поместоположению функциональногокомпонентаотносительносреды и внут-

ренней структуры ЧЯ различают:

– интерфейсные (периферийные) ФУ (датчики и органы управления параметрами ФУ – преобразователи процессов неэлектрической или электрической природы в процессы электрической природы; оконечные, приводные или исполнительные устройства – преобразователи процессов электрической природы в процессы электрической или неэлектрической природы);

23

– внутренние(непериферийные) ФУ (как правило, этопреобразователи электрических процессов в электрические процессы, например усилитель, фильтр, генератор).

Также следует отметить такой особый класс ФУ, как согласующие, или развязывающие (их ещё называют буферными), назначение которых состоит в том, чтобы обеспечить независимый режим работы двух соседних, включаемых друг за другом ФУ, ФУ и источника сигнала, ФУ и нагрузки.

Например, согласующим ФУ будет эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе, включаемый между оконечным мощным усилительным каскадом и низкоомной нагрузкой.

Если представить физические процессы как математические функции параметров от времени, то с ними можно совершать операции, аналогичные выполняемым с обыкновенными математическими объектами: складывать, вычитать, логарифмировать, возводить в степень, находить абсолютное значение и т.д. [3].

Приведем перечень технических характеристик избранных компонентов и функциональных узлов ЭРЭС, описанных выше (таблица 4.3) [4–7]. Знание их параметров и свойств позволяет системотехнику распределять исходные требования ТЗ по всей структурной электрической схеме, а следовательно, обеспечивать прослеживаемость этих требований и проверку их выполнимости.

Таблица 4.3 – Основные технические характеристики избранных компонентов структурных электрических схем

24

Продолжение таблицы 4.3

25