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

Коэффициент полезного действия ИВЭП во многом определяется сочетанием выходных напряжений и тока. При одинаковой выходной мощности источники с более высоким выходным напряжением имеют более высокий КПД. Однако в маломощных ИВЭП высокого напряжения (например, в ИВЭП электронно-лучевых трубок) получение высокого КПД затруднено, так как режим их работы близок к режиму холостого хода. В источниках с большими выходными токами КПД определяется в основном мощностью тепловых потерь и возможностью её отвода от источника при заданных условиях охлаждения и конструктивном исполнении. В низковольтных ИВЭП КПД обычно составляет: при непрерывном преобразовании 45–55 %, при импульсном преобразовании 75–80 %. В источниках высокого напряжения при выходной мощности до 1 кВт оптимальный КПД составляет примерно

55–70 %.

Технические требования к характеристикам ИВЭП должны выполняться в заданных условиях эксплуатации ЭРЭС. Эти условия определяются назначением аппаратуры, в которой используются источники, и могут существенно различаться. Если ЭРЭС размещаются в отапливаемом помещении, то они рассчитываются на температуру окружающей среды от +5 до +40 оС, атмосферное давление не ниже 460 мм рт. ст. и относительную влажность воздуха 95 % при температуре +30 оС. Если ЭРЭС размещаются на подвижных наземных носителях (например, колёсных и гусеничных самоходах), то диапазон изменения температуры составляет от –50 до +65оС, а относительная влажность воздуха повышается до 98–100 %.

ИВЭП должны выдерживать циклическое изменение температуры окружающей среды. Особеннокритичны к такомурежимугерметизируемыеконструкции, а также устройства высокого напряжения, для конструкций которых характерна большая толщина слоя изолирующего компаунда. Значительный перепад температур обычно имеет место при подъёме и последующем снижении аппаратуры.

Так, при подъеме на высоту более 9000 м температура окружающей среды за короткое время достигает –60 оС. При эксплуатации в составе самолетной аппаратуры источники электропитания должны сохранять работоспособность в условиях атмосферного давления 5 мм рт. ст.

К ИВЭП ЭРЭС предъявляются требования устойчивости к воздействию проникающей радиации. В этом случае необходимо учитывать обратимые и необратимые изменения, происходящие в полупроводниковых структурах, конденсаторах, электромагнитных компонентах и др. Наиболее критичным параметром для высоковольтной конструкции ИВЭП является сопротивление изоляции. При плотности потока нейтронов 1011 см2·с–1 и мощности дозы гамма-излучения 103 Р/с сопротивление изоляции может снижаться на несколько порядков.

Конструкции ИВЭП (помимо допустимых значений массы и объёма) должны обеспечивать заданный температурный режим, уровень технологичности, уровень унификации, уровень миниатюризации, а также удобство обслуживания и безопасность работы обслуживающего персонала.

Перспективы развития. Поступательное развитие микроэлектроники оказывает существенное влияние на ИВЭП: постоянно ужесточаются требования к

76

стабильности номиналов напряжений и токов, значительно уменьшаются масса и габаритные размеры, усиливаются требования по надёжности, безопасности, экономичности. Снижение массы и габаритных размеров ИВЭП достигается выбором принципа их действия, схемы, режима работы, элементной базы, конструкции. Конструктивное исполнение ИВЭП определяет технологию его изготовления.

Таким образом, при создании ИВЭП перед разработчиком ставится ряд взаимосвязанных задач, решение которых зависит от знания особенностей и принципов работы ИВЭП, выбора рационального схемного и конструктивного исполнения с заданными параметрами для заданных условий эксплуатации [21].

Электронные вычислительные системы

Дадим представление о принципе работы аналоговой вычислительной машины (АВМ). Устройства на операционных усилителях (ОУ) позволяют реализовать большое количество математических процедур: инвертирование, масштабирование, суммирование, дифференцирование, интегрирование. Эти процедуры применимы к меняющимся во времени переменным – электрическим сигналам.

Предположим, что необходимо в реальном масштабе времени промоделировать поведение некоторой переменной x(t) в соответствии с интегродифференциальным уравнением

y t ax t b dx t c x t dt . dt

Структура АВМ для решения данной задачи показана на рисунке 4.49.

Рисунок 4.49 – Структурная схема аналоговой вычислительной машины

Кратность процедур дифференцирования и интегрирования, в принципе, может быть любой, однако на практике их порядок ограничивают десятком. Для моделирования нелинейных процессов в нужную цепь включается устройство с требуемой нелинейной характеристикой.

Таким образом, сущность аналогового машинного моделирования заключается в том, что уравнению-оригиналу или моделируемому уравнению ставится в соответствие сходственное машинное уравнение или моделирующее уравнение, связывающее машинные переменные. Поэтому аналоговые машины иногда называют моделирующими. Результаты решения выводятся в реальном времени (или в ином

77

масштабе по времени) в виде зависимостей электрических напряжений как непрерывных функций времени на экран индикатора, на бумагу самописца или фиксируются измерительными приборами.

Синтез схем на логических элементах по заданным условиям. Цифровые электронные схемы на логических элементах (ЛЭ) применяются в качестве схем управления для самых различных задач контроля и регулирования состояния технических и технологических объектов. Под синтезом схемы понимают её проектирование (разработку) [23].

Перед началом синтеза схемы необходимо четко сформулировать задачу, которую должна решать схема. Словесные формулировки можно часто трактовать неоднозначно. Поэтому техническому заданию на разработку схемы требуется уделить особое внимание.

В первую очередь нужно назначить входные переменные: A, B, C, D, E, F, G, E. Затем назначают выходные переменные: Z, Y, X, V.

Далее необходимо оговорить, при каких условиях переменные равны 1 и 0. После этого можно приступать к составлению таблицы истинности, которая

однозначно определяет, как будет работать проектируемая схема. Сразу станет ясно, являлосьли словесноеописаниеоднозначным. Еслив процессесоставлениятаблицы встречается неясность, её надо сразу устранить путем обсуждения с остальными разработчиками и заказчиками.

После построения таблицы истинности подбирают логические элементы, на которых её можно реализовать. Схема должна быть как можно проще и состоять из элементов, имеющихся в наличии.

Следует попытаться максимально упростить составленную схему. Если в наличии имеются, например, только элементы И-НЕ, схему надо преобразовать так, чтобы она состояла только из элементов И-НЕ.

Итак, для синтеза схемы можно выделить пять шагов.

1.Описание функции требуемой схемы.

2.Назначениевходныхи выходныхпеременных величини присвоениезначений

0 и 1.

3.Составление таблицы истинности.

4.Определение необходимых логических операций.

5.Упрощение и при необходимости преобразование схемы.

Рассмотрим пошаговый синтез на конкретном примере.

Требуется синтезировать схему, предотвращающую пуск лифта при определённых условиях.

Шаг 1. Описание функции требуемой схемы

Лифт не может трогаться при открытой двери. Он также не может трогаться при перегрузке. Для пуска необходимо нажать кнопку.

Шаг 2. Назначение входных и выходных переменных

Входная переменная А назначается для дверного контакта. А =1 означает, чтодвернойконтактзамкнут, А= 0–дверной контактразомкнут.

78

Входная переменная В назначается для перегрузки (В = 1 – перегрузка, В = 0 – нет перегрузки).

Входная переменная С назначается для кнопки (С = 1 – кнопка нажата, С = 0 – не нажата).

Выходной переменной величиной будет Z: Z =1 – лифт может ехать. Z = 0 – лифт ехать не может.

Шаг 3. Составление таблицы истинности

Мы имеем три переменных величины. Следовательно, таблица истинности имеет 8возможныхвариантов(рисунок4.50). Лифтможет ехать, когда дверь закрыта (А=1), нет перегрузки (В=0) и кнопка нажата (С=1).

Все эти условия выполняются одновременно только в варианте 6 таблицы истинности (см. рисунок 4.50). Для этого варианта Z=1. Во всех остальных случаях Z=0.

Шаг 4. Определение необходимых логических операций

После составления таблицы истинности можно рассчитать схему. Для такой простой задачи можно также применять метод подбора.

Z = 1 только тогда, когда А=1, В=0 и С=1. Если подать вход В на инвертор НЕ, то на выходе этого элемента будет состояние 1. При А=1, не В=1 и С=1 имеем три 1-состояния. Они поступают на вход трехвходового элемента И (рисунок 4.51). На выходе элемента И только тогда действует 1, когда А=1, В=0 и С=1. Этот выход является Z-выходом. На рисунке 4.51 изображена требуемая схема безопасности +5 В. Это напряжение может коммутировать реле запуска лифта.

Способ нахождения схемы методом подбора можно описатькак возможность подобрать вариант схемы, выполняющей требуемые логические операции умножения или сложения входных переменных и их инвертированных значений.

Шаг 5. Упрощение и при необходимости преобразование схемы

Схему на рисунке 4.51 упростить нельзя. Однако её можно преобразовать. Предположим, что у нас есть только элементы ИЛИ-НЕ. Тогда

функцию Z A B C можно преобразовать:

79

Z A B C A B C A B C.

Схема, построенная на элементах ИЛИ-НЕ, изображена на рисун-

ке 4.52.

Рисунок 4.52 – Схема безопасности лифта на элементах ИЛИ-НЕ

Архитектура и структура компьютеров. Архитектура – это наиболее общие принципыпостроения компьютеров [24]. Она охватывает круг вопросов, существенных в первую очередь для пользователя: функциональный состав технических

ипрограммных средств и их взаимодействие в процессе обработки информации; систему команд, их форматы и способы кодирования; методы адресации команд

иданных.

Основныепринципыпостроения компьютеров изложили в 1946г. американские математики Дж. Фон Нейман, К. Голдстайн и А. Беркс. Совокупность этих принципов породила классическую неймановскую архитектуру, которая остается актуальной и сегодня.

В общем неймановская архитектура обладает следующими основными признаками:

–наличие одного вычислителя, имеющего процессор, память, средства вводавывода информации, а также средства управления;

–применение двоичной системы счисления как дляпредставления информации, так и для выполнения арифметико-логических операций;

–размещение в единой общей памяти команд и чисел фиксированной длины;

–линейная структура адресации ячеек памяти, что требует наличия в процессоре счетчика команд;

–централизованное автоматическое последовательное считывание команд из памяти и интерпретация их процессором; данные обрабатываются параллельно, т.е. одновременно, над всеми разрядами машинного слова;

–низкий уровень машинного языка.

Первый компьютер EDSAC с хранимой программой в памяти на 512 ртутных линиях задержки был построен М. Уилксом (Англия) в 1949 г. Машина выполняла 15 тыс. сложений и 120 умножений за одну секунду. В 1950г. под управлением Дж. фонНеймана былсоздан первый полностью электронный компьютер классической архитектуры EDVAC, который положил начало машинам первого поколения.

80

В 1948–1950 гг. в Институте электротехники в Киеве была создана малая электронная счётная машина (МЭСМ). Её разработкой руководил выдающийся учёный и конструктор многих компьютеров академик С.А. Лебедев. В МЭСМ были использованы (независимо от Неймана) основные принципы классической архитектуры. Компьютер содержал 3500 ламп, 2500 диодов, занимал площадь 60 кв. м, потреблял мощность 25 кВт и выполнял 50 операций в секунду.

Компьютер классической архитектуры включает (рисунок 4.53):

–арифметико-логическое устройство (АЛУ);

–оперативную память (ОП);

–средства хранения и ввода-вывода информации: внешние запоминающие устройства (ВЗУ); устройства ввода информации (УВв); устройства вывода информации (УВыв); все эти устройства называют внешними или периферийными (ПУ);

–устройство управления (УУ). Вместе с АЛУ

оно образует процессор. При наличии в машине нескольких процессоров выделяют центральный процессор (ЦП).

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций, предусмотренных системой команд данного компьютера. В состав АЛУ входят регистры и комбинационные схемы. Данные для обработки в АЛУ поступают из ОП и называются операндами. Результаты операций пересылаются в ОП или временно сохраняются в регистрах АЛУ.

УУ считывает и дешифрует в соответствующей последовательности команды, формирует и подаёт управляющие сигналы для других устройств компьютера.

ОП предназначена для временного хранения программ и данных, в ней выполняются операции записи и считывания информации. Кроме ОП, используют также постоянную память, в которой выполняются только операции считывания. Оперативную (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) и постоянную (постоянное запоминающее устройство – ПЗУ) память, а также регистры АЛУ называют внутренней памятью (рисунок 4.54). Процессор и ОП вместе образуют ядро компьютера.

Рисунок 4.54 – Внутренняя память компьютера

81

Операции ввода-вывода – это обмен информацией между ядром машины и ПУ. Операция ввода передаёт информацию из ПУ в ядро компьютера, а операция вывода – наоборот.

Внешняя память, или внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначена для длительного и энергонезависимого хранения больших объемов информации. Физически её реализуют в виде накопителей (оптические, или лазерные, диски, HDD, SSD, flash memory).

Все виды внешней памяти обеспечивают обмен информацией с ядром комьютера, однако ВЗУ выделяют в отдельный вид ПУ по следующим признакам:

–внешняя память обеспечивает хранение больших массивов информации и быстродействующий обмен с ядром компьютера;

–информация в ней хранится в виде, недоступном для непосредственного восприятия человеком.

Устройства ввода и вывода (УВВ) информации рассматривают как единую функциональную часть компьютера. Различные по своим функциям, принципам построения и характеристикам УВВ и ВЗУ вместе образуют группу очень разнообразных внешних или периферийных устройств.

К УВв информации относятся (рисунок 4.55):

–клавиатура, предназначенная для ввода программ и данных и управления работой машины;

–сканеры, предназначенные для ввода графической информации;

–ручные манипуляторы – мышь, шариковый и джойстик, предназначенные для быстрого перемещения курсора в заданную точку экрана дисплея и выполнения других действий;

–устройства речевого ввода, предназначенные для управления машиной с помощью речевых команд;

–устройства ввода жестами;

–устройства ввода с таких уже устаревших элементов, как перфоленты, перфокарты и др.

Рисунок 4.55 – Устройства ввода информации

82

К устройству вывода информации относят (рисунок 4.56):

–принтеры (матричные, струйные, лазерные);

–дисплеи (на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), на жидких кристаллах, плазменные, люминесцентные), предназначенные для отображения информации, которая вводится с клавиатуры (для контроля правильности набора данных) или из памяти машины;

–плоттеры (графопостроители), предназначенные для печати чертежей высокого качества;

–синтезаторы звука и языка, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и наборот;

–устройства вывода информации на перфоленты и перфокарты.

Рисунок 4.56 – Устройства вывода информации

Связь между функциональными частями машины осуществляют с помощью компьютерного интерфейса – совокупности шин, сигналов, вспомогательных микросхем и алгоритмов, предназначенных для обмена информацией между устройствами компьютера.

Выделяют три шины (рисунок 4.57):

–шину адреса (ША), предназначенную для передачи адреса ячеек ОП и регистров ПУ;

–шину данных (ШД), предназаченную для

передачи данных;

– шину управления (ШУ), предназначенную для передачи управляющих сигналов от процессора к устройствам и наоборот

[24, 25].

83

Перспективы развития. Развитие цифровой компьютерной техники описывается законом Мура. Это эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров [26].

В1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 216 (65536) с 26 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. Это наблюдение получило название закона Мура.

В1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).

Существует масса схожих утверждений, которые прогнозируют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный второй закон Мура [26], введённый в 1998 году Юджином Мейераном, гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 кбит, составляла $4 млн, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микро- метровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость Fab32, завода по производству процессоров на базе технологии 45 нм, составила $3 млрд.

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора показан на рисун-

ке 4.58.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» было приведено такое сравнение:

«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ» [27].

84