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

Первый способ сложения мощностей позволяет увеличить мощность радиопередатчика по отношению к мощности одного усилительного прибора на 15–20 дБ, второй – на 30–40 дБ, третий – на 10–15 дБ. Все способы существенно повышают:

1)надежность радиопередатчика, поскольку отказ одного из усилителей мощности приводит только к снижению суммарной выходной мощности;

2)устойчивость работы усилительного тракта, так как сумматоры улучшают развязку между каскадами.

При суммировании мощностей улучшаются условия охлаждения полупроводниковых приборов, располагаемых на большой поверхности.

Радиолокационные системы

Структурная схема и принцип работы. На рисунке 4.32,а показана струк-

турная схема активной РЛС, способной обнаруживать объекты и измерять дальность их расположения от пункта обнаружения. Основными устройствами импульсной РЛС являются: генератор импульсов, передатчик, состоящий из генератора несущей частоты и модулятора, антенный переключатель (АП), остронаправленная антенна, приемник и измеритель. Принцип действия импульсной РЛС поясняется с помощью упрощенных временных диаграмм, показанных на рисунке 4.32,б.

Рисунок 4.32 – Импульсная радиолокационная система:

а – структурная схема; б – упрощенные временные диаграммы

Генератор импульсов вырабатывает достаточно короткие (доли или единицы микросекунд) импульсы (1 на рисунке 4.32,б), которые определяют частоту посылок радиосигналов РЛС. Эти импульсы поступают на передатчик и измеритель. В передатчике с помощью модулятора из несущего колебания формируются высокочастотные импульсы 2 (осуществляется импульсная модуляция), называемые радиоимпульсами, которые излучаются в окружающее пространство. Антенный переключатель подключает антенну к передатчику во время излучения радиоимпульсов и к приемнику в интервалах между ними.

Отражённые от объекта и уловленные антенной РЛС радиоимпульсы 3 попадают в приемник. Отраженные радиоимпульсы располагаются в интервалах между

56

излученными импульсами (соответственно О и И на рисунке 4.32,б), небольшая часть мощности которых через антенный переключатель также проникает в приемник. После усиления и детектирования в приемнике отраженные импульсы 4 поступают в измеритель. Сравнение в измерителе отраженного импульса с его излученной копией, поступающей от генератора импульсов, позволяет получить информацию об объекте. В частности, дальность до обнаруженного объекта определяется по времени задержки излученного сигнала в соответствии с формулой

R ctз /2 .

Работают РЛС обычно в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, так как в этом случае удается создать узкие (игольчатые) диаграммы направленности при приемлемых габаритных размерах антенн.

Внастоящее время принцип действия множества РЛС основан на эффекте Допплера (в 1842 г. К. Допплером установлена зависимость частоты звуковых и световых колебаний от взаимного движения источника и наблюдателя).

Перспективы развития. Развитие современных РЛС зависит от прогресса науки и техники.К основнымперспективнымнаправлениямразвитияРЛС относятся совершенствование антенных систем, приемопередающих устройств, систем первичной, вторичной и третичной обработки информации и помехозащиты, систем автоматического распознавания целей, средств отображения информации.

Современные антенные системы представляют собой активные и полуактивные приемопередающие фазированные антенные решетки с одно- и двухмерным управлением, многодиапазонные приемопередающие ФАР, цифровые ФАР и адаптивные ФАР. Применение ФАР позволяет отказаться от инерционных механических устройств (редукторов), управляющих ориентацией диаграммы направленности антенны, в пользу режима электронного сканирования пространства антенным лучом.

Совершенствование приемопередающих модулей заключается в использовании цифровых формирователей ансамблей сигналов, твердотельных генераторов и усилителей, заменяющих массивные и габаритные электровакуумные приборы. Это приводит к существенному уменьшению массогабаритных показателей аппаратуры РЛС. Активно осваивается терагерцовый диапазон электромагнитных волн, приближенный к оптическому диапазону. В перспективных РЛС теперь сочетается работа

вклассическом радиодиапазоне с работой в околооптическом диапазоне в режиме реального времени. Начало существованию подобных РЛС положила новая научнотехническая отрасль радиолокации, называемая радиофотоникой.

Всистемах обработки информации и помехозащиты активно используются быстродействующиепрограммируемыесигнальныеи оптоэлектронныепроцессоры, применяются нейрокомпьютерные технологии.

Вцелом рабочее место диспетчера или оператора РЛС в настоящее время является автоматизированным. Активновнедряются системы искусственногоинтеллекта, помогающие оператору принимать решения в особо сложных помеховых условиях.

57

Совершенствуются и дополнительные подсистемы РЛС. Так, для автоматического свертывания и развертывания антенной системы используются робототехнические устройства. В военных РЛС используется аппаратура защиты от высокоточногооружия (ВТО): система увода ВТО, система пораженияВТО, система выключения и увода, системы снижения заметности в видимом, ИК и радиодиапазонах. Для обработки радиолокационных изображений используются быстродействующие и высокопроизводительные спецпроцессоры для адаптивного управления в реальном масштабе времени. В качестве источников электропитания используются нетрадиционные источники питания, бестрансформаторные источники питания. В современные РЛС встраиваются автоматизированные системы контроля (диагностики), поиска повреждений и восстановления работоспособности. Работа РЛС синхронизируется с работой надсистемы, которой является спутниковая радионавигационная система, что позволяет улучшить достоверность и точность предоставляемой информации.

Информационно-измерительные системы

Структурная электрическая схема.В самом общем случаеможносчитать, что ИС состоят из трёх основных подсистем (рисунок 4.33) [16]:

–преобразователя неэлектрической или электрической физической величины в электрическую величину. Ядром этого преобразователя является датчик, который выдает сигнал, количественно связанный с измеряемой величиной. Такие элементы получают информацию об измеряемом объекте и преобразуют её в вид, доступный остальным частям ИС, с целью получения количественного значения измеряемой величины;

–преобразователя сигнала, который получает сигнал от датчика и преобразует его в соответствии с требованиями блока отображения информации ИС или блока системы управления. Преобразователь сигналов может состоять в свою очередь из трех компонентов: формирователя сигналов, который преобразует сигналот датчика

вфизический вид, удобный для отображения; сигнального процессора, который улучшает качество сигнала, например усиливает его, и передатчика сигнала для передачи этого сигнала на некоторое расстояние до устройства отображения;

–устройства отображения информации – средства, на котором отображается выходная информация ИС. Этот компонент получает информацию от преобразователя сигналов и представляет её в виде, который человек может идентифицировать, например в виде стрелочного указателя, перемещающегося по шкале.

Рисунок 4.33 – Общий вид измерительной системы

58

Датчик –этоустройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал, обычно электрической природы (заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся функцией измеряемой вели-

чины [17]:

s F m ,

где s – выходная величина датчика; m – входная величина (рисунок 4.34).

Рисунок 4.34 – Пример изменения во времени измеряемой величины m и соответствующей реакции s датчика

Измерив значениеs, можноопределить значениеm (рисунок 4.35). Соотношение s F m выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные

в основу работы датчиков. Выраженные численно, эти законы предопределяют выбор конструкций (геометрии, размеров) и материалов для изготовления датчиков, допустимые характеристики окружающей среды, при которых они могут работать, и условия применения. Для всех датчиков характеристика преобразования – соотношение s F m – в численной форме определяется экспериментально в ре-

зультате градуировки, при проведении которой для ряда точно известных значений m измеряют соответствующие значения s, что позволяет построить градуировочную кривую (рисунок 4.35,а). Из этой кривой для всех полученных в результате измерения значений s можнонайти соответствующиезначения искомой величины m

(рисунок 4.35,б).

Для удобства измерений датчик стараются построить или, по крайней мере, использовать таким образом, чтобы существовала линейная зависимость между малыми приращениями выходной s и входной m величин:

s S m ,

где S – чувствительность датчика.

59

сигналов. Оператор снимает показания каждого датчика, которые затем обрабатываются для получения значения измеряемой величины.

Таблица 4.4 – Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков

Таблица 4.5 – Виды физических величин входных и выходных сигналов для основных типов датчиков

61

Окончание таблицы 4.5

Таблица 4.6 – Преобразователи сигналов

Например,порезультатамизмерениятемпературы«сухим»и«влажным» термометром оператор вычисляет значение относительной влажности.

62

Другой пример: оператор корректирует полученные данные с учётом нелинейности.

Таким образом, процесс получения значения измеряемой величины при использовании простых приборов может включать в себя такие процедуры, как арифметические операции с серией измерений, вычисления с использованием калибровочных коэффициентов, уточнение результатов измерений с учётом специальных факторов, например нелинейности. Можно сказать, что в этих случаях оператор является элементом системы обработки сигналов, необходимым для получения значения измеряемой величины. Микропроцессорные системы предназначены для исключения человека из процесса обработки сигналов, так как они могут снимать показания одновременно с нескольких датчиков или проводить опрос одного датчика заданное количество раз, обрабатывать принятые значения и выдавать полученное значение измеряемой величины прямо на выход системы. Кроме того, микропроцессорные системы могут выполнять ряд других задач, таких как преобразование данных в различные форматы, усреднение результатов, нахождение минимальных и максимальных значений, обработка данных от датчиков разных типов, проведение периодических калибровок, принятие решений по управлению ИС, основанных на полученных данных, и т.д.

Для иллюстрации приведем схему микропроцессорных товарных весов, где в качестве датчика используется динамометрический элемент (рисунок 4.36).

Рисунок 4.36 – Микропроцессорные товарные весы

Эти весы могут использоваться на контроле в супермаркетах для определения цены корзины яблок или любых других товаров. Информация о количестве проданного товара может одновременно поступать на склад, и при помощи такой обратной связи можно проводить мониторинг количества товаров.

Микропроцессор, управляющий весами, может иметь внутреннюю систему калибровки. Когда приходит команда произвести калибровку, на динамометрический элемент автоматически помещается стандартный груз и определяется еговес. Полученное значение сравнивается со значением точного веса, хранящегося в памяти системы, и если между этими значениями существует некоторое рассогласование, оно учитывается для корректировки последующих взвешиваний.

Другой пример приведен на рисунке 4.37. Здесь показаны элементы микропроцессорной системы измерения температуры на основе термопары. Так как ЭДС

63

термопарынеявляется линейной функцией температуры, тодляполучения значений измеренной температуры необходимо использовать специальные таблицы, переводящие ЭДС термопары в градусы. В этих таблицах считается, что холодный спай термопары находится при температуре 0 oС. Если это условие не выполняется, то необходимо производить корректировку полученных данных. Поэтому микропроцессор отслеживает измеряемую температуру по изменению ЭДС на горячем спае, а для контроля температуры холодного спая термопары используется термосопротивление. После преобразования сигналы от двух элементов поступают в микропроцессор, который производит вычисление значений измеряемой величины.

Рисунок 4.37 – Микропроцессорная система измерения температуры

Еще один пример применения микропроцессорных ИС – измерение относительной влажности воздуха. Здесь необходимо одновременно измерять температуру сухим и влажным термометром. Если обработка полученных данных ведется вручную, то после проведения измерений оператор ищет в таблицах два соответствующих значения, по которым и вычисляет значение относительной влажности. Очевидно, что прибор, способный сразу выдавать значения относительной влажности, должен бытьмикропроцессорным. На рисунке4.38показан один из вариантов такого прибора. Датчики температуры могут быть пьезоэлектрическими, например кварцевыми, у которых частота зависит от температуры. Таким образом, микропроцессор принимает два сигнала, по значениям которых, используя стандартные таблицы, вычисляет величину относительной влажности. На отображающее устройство могут выводиться, например, значения двух температур и относительной влажности.

Рисунок 4.38 – Микропроцессорная система измерения относительной влажности

64

Современные информационно-измерительные системы (рисунок 4.39) включают первичные датчики физических величин, которые устанавливаются на объекте измерения (датчики движения, давления, температуры, концентрации и т.д.), устройства усиленияинормализации сигналов датчиков, аналоговый мультиплексор (или коммутатор сигналов), который используется для поочередного подключения сигналов датчиков к АЦП через устройство выборки и хранения (УВХ) [19].

Рисунок 4.39 – Укрупнённая структурная схема информационно-управляющей системы

Оцифрованный сигнал с датчиков через интерфейс вводится в процессор или ЭВМ с необходимой периферией (дисплей, клавиатура и т.д.), обрабатывается по определённым алгоритмам, документируется и выдается в удобном виде пользователю (оператору) с помощью устройств отображения информации (УОИ). В автономных или специализированных измерительных приборах вместо ЭВМ могут использоваться более дешевые контроллеры с автономными УОИ (ЖКИ-индика- торы, газоразрядные панели и т.д.).

Если эту структуру дополнить цифроаналоговыми преобразователями и исполнительными устройствами, то она становится информационно-управляющей системой (ИУС), которая управляет объектом по цепи обратной связи (ОС) согласно заданному алгоритму. Такая структура характерна для большинства автоматизированных систем управления технологическими процессами.

В сложных технических ИУС для обеспечения высокой надежности необходимо применять большое количество датчиков для контроля физических величин.

Например, в отечественной космической системе «Буран» использовалось около 3000 датчиков (25 % – датчики давления, 40 % – датчики температуры), в других изделиях авиационной и космической техники количество датчиков колеблется от 250 до 2000.

Комплексное автоматизированное оборудование для производства интегральных микросхем по КМОП-технологии с проектными нормами 0,5 мкм, поставленное в Россию фирмой Applied Materials в 2002 г., содержало около 1000 датчиков непосредственно в технологическом процессе и около 600 — в инженерном оборудовании, обеспечивающем техпроцесс

65