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

Окончание таблицы 4.3

Для изучения функциональных узлов можно порекомендовать алгоритм, представленный на рисунке 4.8.

26

графическим обозначениям индивидуальность и мнемоничность. Кроме знаков внутри УГО, могут использоваться полные названия ФУ, аббревиатуры названий ФУ, графики зависимостей выходной и входной величин или математические выражения, описывающие математический смысл процессов преобразования (рису-

нок 4.9) [10].

Исторически сложилось, что в разных технических дисциплинах используются разные обозначения одних и тех же ФУ. Например, в теории автоматического управления и теории радиолокационных систем, где важна математическая суть преобразующей функции устройства, принято помещать внутрь квадратов математические выражения, а в дисциплине, изучающей телевизионные устройства, предпочитают использовать аббревиатуры названий ФУ. В свою очередь в схемах устройств связи используют УГО со знаковыми обозначениями внутри квадратов и прямоугольников (см. рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 – Примеры условно-графических обозначений функциональных узлов

Кроме УГО, на СЭС используются позиционные обозначения [9]. Отличительным признаком генераторов является латинская буква G, которая

является и буквенным кодом в позиционных обозначениях. Если нужно указать форму генерируемых колебаний, в квадрат помещают эпюры, упрощенно воспроизводящие осциллограммы этих колебаний. На рисунке 4.10 генератор синусоидальных колебаний – G2, пилообразных – G3, а прямоугольных – G4.

Чтобы отличить генераторы звуковой и радиочастоты от ФУ, вырабатывающих ток низкой частоты, вместо одного символа синусоиды изображают соответственно два (G5 на рисунке 4.10) или три (G6 на рисунке 4.10). Можно указать под обозначением формы колебаний значение частоты (G7 на рисунке 4.10).

Возможность перестройки генератора по частоте показывают стрелкой, пересекающей либо само УГО (G8 на рисунке 4.10; рядом со стрелкой в этом случае указана буква f), либо символ формы колебаний (G9 на рисунке 4.10). Генератор, стабилизированный кварцевым резонатором, выделяют на схемах символом пьезоэлектрического элемента (G10 на рисунке 4.10), генератор шума (G11 на рисунке 4.10) – буквами kT (k – постоянная Больцмана, T — абсолютная температура).

Позиционное обозначение УГО усилителей – буквенный код А, знак усиления – небольшой равносторонний треугольник, вершина которого указывает направление передачи сигнала (рисунок 4.11, А1). Такой же треугольник, но со стороной 12 мм (А2 на рисунке 4.11) часто используют в качестве самостоятельного символа усилителей. Знаки, характеризующие вид усилителя или принцип его работы, разре-

28

шается указывать только в этом обозначении. Для примера на рисунке 4.11 (А3) приведено УГО магнитного усилителя (цепочка полуокружностей символизирует его обмотки).

Стандарт предусматривает при необходимости возможность отображения в УГО усилителей числа каскадов, особенностей выходного каскада, способности передачи сигнала в обоих направлениях (такие усилители применяют, например, в переговорных устройствах), регулировки усиления и т.д. Число каскадов указывают соответствующими цифрами. На рисунке 4.11 А4 – трехкаскадный усилитель, А5 – пятикаскадный. Для обозначения двухтактного усилителя используют два знака усиления, помещая их один над другим (рисунок 4.11,А6). Такими же знаками, но направленными встречно, выделяют на схемах усилители, способные передавать сигнал в обоих направлениях, причем, если усилитель двухпроводный, их располагают на одной линии (А7 на рисунке 4.11), а если четырёхпроводный – разносят по вертикали (А8 на рисунке 4.11).

Регулируемые усилители обозначают любым из основных символов, пересекая его знаком регулирования – стрелкой (А9, А10 на рисунке 4.11). Рядом со стрелкой можно указать буквенное обозначение регулируемой величины. Например, усилитель с регулируемым выходным напряжением – А11. Если усиление регулируется электронным способом, УГОдополняют ещёодним(управляющим) выводом, рядом

скоторым указывают вид регулирующего сигнала. На рисунке 4.11 усилитель

свнешним управлением постоянным током – А12.

Общее УГО частотных фильтров – квадрат с перечеркнутым символом синусоиды (буквенный код – Z). Такое УГО (рисунок 4.12, Z1) используют в тех случаях, когда важно показать именно наличие фильтра в цепи сигнала.

29

Более информативны остальные УГО, изображенные на рисунке 4.12. Здесь Z2 и Z3 – фильтры соответственно нижних и верхних частот, Z4 и Z5 – соответственно полосовой и режекторный фильтр. От символов фильтров следует отличать УГО подавителя радиочастотных помех Z6, в котором знаки синусоид перечеркнуты косым крестом.

Позиционные обозначения УГО устройств, предназначенных для ограничения сигнала, имеют буквенный код ZL. Работа этих устройств заключается в выделении части сигнала, лежащей ниже или выше определенного уровня или заключенного между ними. Уровни ограничения указывают отрезками горизонтальных прямых, пересекающих синусоиду – символ сигнала – в соответствующих местах. УГО ограничителей больших и малых напряжений, а также двустороннего ограничителя показаны на рисунке 4.13 (ZL1, ZL2 и ZL3).

Устройства, предназначенные для ограничения минимальных и максимальных значений сигнала (или и тех и других), обозначают иначе. Знак такого ограничения – вертикальная черта, пересекающая наклонную линию (символ сигнала) с горизонтальными полочками (уровни ограничения) в середине (ограничитель минимума) или на концах (ограничители максимумов). Символ ZL4, изображённый на рисунке 4.13, обозначает ограничитель минимальных значений амплитуды, ZL5 – максимальных, ZL6–и тех и других. Еслинеобходимопоказатьограничитель только максимальных положительных значений сигнала, знак ограничения изображают на нижнем конце наклонной линии (ZL7 на рисунке 4.13), а если только отрицательных – на верхнем (ZL8 на рисунке 4.13). Ограничения амплитуды без искажения формы сигнала (например, за счет действия системы автоматической регулировки усиления (АРУ)) показывают знаком синусоиды с горизонтальными черточками, не касающимися её (ZL9 на рисунке 4.13).

Отличительный признак корректоров – две линии с полочками на концах (рисунок 4.14, A1): наклонная символизирует искажение, а вертикальная – коррекцию искажения. Корректируемые параметры указывают общепринятыми

30

буквенными обозначениями физических величин, обзначениями единиц их измерения или специальными знаками. Например, частотный корректор выделяют буквой f (А2 на рисунке 4.14), фазовый – греческой буквой (A3), выравниватель

времени задержки – обозначением t (A4), затухания – обозначением единицы его измерения dB (А5 на рисунке 4.14). Например, частотную коррекцию с подъемом АЧХ в области высших частот показывают дужкой четвертой четверти окружности (А6 на рисунке 4.14), а со спадом – первой (А7 на рисунке 4.14). Символ искажения

вдвух последних случаях не изображают.

ВУГО устройств для сжатия динамического диапазона сигнала (т.е. нелинейного уменьшения разницы больших и малых амплитуд) – компрессоров (рисунок 4.14, А8) – используют предельно упрощенный график зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного: наклонная линия символизирует сужение динамического диапазона. В экспандерах (расширителях динамического диапазона сигнала) решается обратная задача, поэтому график в их УГО (А9 на рисунке 4.14) имеет противоположный характер.

На основе квадрата построены УГО и таких функциональных частей устройств связи, как аттенюаторы, линии задержки, фазовращатели и т.п. (буквенный код – А). Отличительный признак УГО аттенюатора – вписанное в квадрат международное обозначение логарифмической единицы – децибела (рисунок 4.15, А1), фазовращателя – общепринятое обозначение угла – греческая буква (A4). Если необ-

ходимоуказатьна схемевеличинувносимогоустройством затуханияили сдвига фаз, над линией выхода помещают соответствующую надпись (А2, А3, А5).

Общее УГО линий задержки – квадрат с символом временной задержки, состоящим из отрезка горизонтальной прямой с засечками на концах и общепринятого обозначения временного интервала t (A6). В УГО конкретных устройств на месте этих букв можно изображать знаки, характеризующие их конструктивные особенности. Для примера на рисунке 4.15 показаны символы

31

электромагнитной линии задержки с распределенными парамтерами (А7) и двух ультразвуковых: с пьезоэлектрическими (А8) и магнитострикционными (А9) преобразователями. У линий задержки может быть несколько выходов. В частности, наличие двух выводов у символа А9 говорит именно об этом. При необходимости время задержки указывают и у символов линий с одним выходом или внутри УГО вместо знака t.

В технике связи широко применяют всевозможные преобразователи электрическихвеличинв электрические(код–буква U). Общее УГО этой группы устройств – квадрат, разделённый диагональю на две части, со стрелками на нижней стороне, указывающей направление преобразования (рисунок4.16, U1).Влевомтреугольникепомещают знаки, характеризующие преобразуемый сигнал, в правом – преобразованный. Таким образом, устройство U2 – преобразователь переменного тока в постоянный (его ещё называют выпрямителем), U3 – постоянного в переменный (инвертор), U4 – постоянного тока в постоянный ток. Аналогично расшифровываются общие УГО преобразователя частоты U6 (сигнал частотой f1

преобразуется им в сигнал с частотой f2), умножителей U6 и делителей U7 частоты. Частоту выходного сигнала выражают через частоту входного с помощью коэффициентов n и 1/n соответственно (где n – целое число).

Остальные УГО, изображенные на рисунке 4.16, символизируют следующие устройства: U8 – формирователь прямоугольных импульсов, U9 – преобразователь однополярных (в данном случае положительных) импульсов в двухполярные, U10 – инвертор импульсов, U11 – преобразователь переменного тока в сигналы пятизначного бинарного кода, U12 – преобразователь сигналов пятизначного бинарного кода в сигналы семизначного (обозначение прямоугольного импульса в подобных случаях допускается не показывать).

Модуляторы, демодуляторы (детекторы), частотные дескриминаторы и другие подобные устройства обозначают на схемах символами, показанными на рисунке 4.17 (U1, U2). Первый из них используют в качестве общего УГО, второй – в качестве основы для построения УГО конкретных устройств. Вместо букв А и В (над выводами) второго символа помещают знаки, характеризующие соответственно модулирующий и модулированный сигналы (для модуляторов) или модулированный и демодулированный (для демодуляторов), на месте буквы С – обозначениенесущей частоты. Дополнительныезнаки (например, символы звуковой и радиочастоты) указывают внутри УГО на месте букв а, в, с.

32

За основу знаков вида модуляции при импульсной передаче принято упрощенное изображение прямоугольного импульса. Амплитудную модуляцию выделяют двунаправленной вертикальной стрелкой (рисунок 4.17,а), фазовую – такой же горизонтальной (рисунок 4.17,б), частотную – символом синусоиды (рисунок 4.17,в). Двунаправленную стрелку используют также для обозначения временной (рисунок 4.17,г) и широтной (рисунок 4.17,д) модуляции. Признаком импульсно-кодовой модуляции служит знак в виде ячейки прямоугольной

сетки (рисунок 4.17,е), рядом с которым при необходимости указывают и сам код (для примера на рисунке 4.17,ж показано обозначение пятизначного бинарного кода).

Структурная электрическая схема определяет основные функциональные части изделия (установки), их назначение и взаимосвязи; она разрабатывается при проектировании (конструировании) изделия раньше схем других типов и используется при изучении структуры изделия и программы его работы, а также во время его эксплуатации.

Графическое построение схемы должно обеспечивать наилучшее представление опоследовательности взаимодействияфункциональныхчастей в изделии. Налиниях взаимосвязей необходимо стрелками обозначать направление хода процессов, происходящих в изделии.

Системотехник должен уметь читать структурные электрические схемы различных ЭРЭС. Сачала необходимо изучить отдельные функциональные узлы и те преобразования, которые они осуществляют с процессами в системе, затем их УГО и позиционныеобозначения. Приведемалгоритм,покоторомурекомендуетсячитать структурные электрические схемы ЭРЭС.

1.Определить вход структурной электрической схемы ЭРЭС. По умолчанию вход СЭС слева. В некоторых случаях идентифицировать вход СЭС поможет знание типовыхвходов и интерфейсов, которыми дляразных ЭРЭС могут являться всетипы датчиков (преобразователей неэлектрических величин в электрические), а также надписи над разъемами и контактными клеммами, например антенна, микрофон, датчик давления и т.д.

2.Определить выход СЭС. По умолчанию выход СЭС справа. В некоторых случаях идентифицироватьвыход СЭС поможет знаниетиповыхвыходов, которыми для разных ЭРЭС могут являться всетипы преобразователей электрических величин

внеэлектрические или электрических величин в электрические, например динамик, монитор, антенна (в ретрансляторах) и т.д.

3.Определить типы сигналов, с которыми работает схема, а также их основные параметры (амплитудно-временная форма и гармонический спектр).

33

4.Двигаясь по схеме от главного входа к главному выходу и проходя последовательно функциональные узлы, идентифицировать их, определить их назначение и технические свойства, описать, с какими процессами они работают и каким образом эти процессы преобразуют, с какой целью какое преобразование осуществляется. Дать характеристику свойствам процессов на входе (входах) и выходе (выходах) каждого функционального узла.

5.Сформулировать общие свойства каждого функционального узла.

6.Проследить преобразование входного сигнала от блока к блоку от входа

квыходу (как правило, слева направо).

7.Идентифицировать ЭРЭС.

8.Сформулировать общие технические характеристики СЭС ЭРЭС.

4.3.4Пример разработки модели состава электронных

ирадиоэлектронных средств

Постановка задачи. Разработать простую ТС, целевая функция которой совпадает с технической и состоит в преобразовании переменного гармонического напряжения U~ с амплитудным значением 310 В (действующее значение 220 В) и частотой 50 Гц в постоянное напряжение U= амплитудой 5 В. Условия эксплуатации предполагают, что, помимо главного полезного процесса (U~), на входе системы может иметь место случайный помеховый процесс, амплитуда которого не превосходит 5 % амплитудного значения полезного процесса, а диапазон частот занимает полосу от 100 до 1000 Гц.

Определить функциональный состав структурной схемы будущей ТС. Решение. ТС с такой целевой функцией

называется источником вторичного электропитания или просто блоком питания. Анализ условия задачи приводит к выводу, что на входе ТС имеет место смесь двух процессов: полезного и вредного. Таким образом, в состав системы должен входить

компонент, пропускающий полезную составляющую смеси двух процессов и не пропускающий вредную составляющую этой смеси. Такой функциональный узел называется электрическим фильтром.

Чтобы определить тип фильтра, необходимо проанализировать взаимное расположение спектров полезного и вредного процессов на общей оси частот. Из условий задачи ясно, что спектры этих процессов разнесены и не пересекаются, причем спектр помехового процесса находится в области более верхних частот, чем спектр полезного процесса. Таким образом, в данной ситуации подойдет фильтр нижних частот, пропускающий низкочастотные компоненты спектра и блокирующий верхнечастотные компоненты.

Сравним виды напряжений на входе и выходе ТС. На входе имеется переменное гармоническое напряжение, спектр которого содержит только одну составляющую

34

с частотой 50 Гц. На выходе имеется постоянное напряжение. Приходим к выводу, что требуется компонент, который сможет преобразовать входной процесс таким образом, чтобы в спектре процесса на выходе появилась составляющая постоянного напряжения. Данное преобразование называется нелинейным и может быть осуществлено с использованием вентильных электрических элементов, пропускающих переменный ток в одном направлении и не пропускающих в обратном. Функциональный узел, содержащий такие элементы, называется выпрямителем напряжения.

Особенность выпрямителей напряжения заключается в том, что они не абсолютно выпрямляют напряжение, а делают его импульсным, хоть и одной полярности. Таким образом, возникает задача сглаживания импульсного напряжения.

Вспектре импульсного процесса содержится множество спектральных составляющих, из которых полезной для нас является только одна – постоянная. Постоянная составляющая напряжения находится в самом начале низкочастотной области спектра импульсного процесса, а все посторонние спектральные составляющие находятся выше. Таким образом, необходим функциональный узел, который удалит из спектра все лишние составляющие, кроме нужной по условию задачи. Следовательно, необходим второй фильтр нижних частот (ФНЧ).

Особенность схемотехники фильтров нижних частот заключается в том, что невозможно абсолютно полностью убрать верхнечастотные спектральные составляющие импульсного процесса без существенного усложнения ФНЧ и увеличения его массогабаритных показателей. Для уменьшения остаточных пульсаций напряжения после фильтрации это напряжение необходимо стабилизировать. Такой функциональный узел называется стабилизатором напряжения.

Сравним амплитуды напряжений на входе и выходе ТС: амплитуда напряжения на выходе в 62 раза меньше амплитуды входного напряжения. Следовательно, необходим компонент, который будет уменьшать напряжение по амплитуде. Таким преобразователем является трансформатор, преобразующий входное переменное напряжение в выходное переменное напряжение.

Витоге мы установили, что для выполнения условия задачи модель состава блока питания должна включать в себя пять компонентов: два ФНЧ, трансформатор, стабилизатор напряжения, выпрямитель напряжения.

Следует обратить внимание на то, что при разработке модели состава ТС порядок соединения функциональных узлов не учитывается. Это выполняется при создании модели структуры ТС на основе модели её состава. При разработке модели состава могут остаться неучтенными некоторые функциональные узлы. Однако их нехватка станет очевидна на этапе разработки модели структуры ТС, т.е. при соединении функциональных узлов между собой. Это является демонстрацией известного в системном анализе свойства эмерджентности систем.

35