Файл: Смолов, В. Б. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые нелинейные вычислительные устройства.pdf

у/ > С " ?

'/ о

Смолов В. Б. и Фомичев В. С.

С 51 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые нелинейные вычис­ лительные устройства. Л., «Энергия», 1974.

264 с. с ил.

Монография посвящена комбинированным вычислительным устройствам, в частности нелинейным блокам таких устройств. Основное внимание уделяется принципам построения, описанию методики проектирования и расчета нелинейных вычислительных устройств. Рассматриваются также вопросы использования ЦВМ

для расчета нелинейных преобразователей.

Книга предназначена для специалистов, разрабатывающих цифровые или комбинированные вычислительные устройства, системы управления, телемехани­ ческие или измерительные системы и другие объекты, назначением которых яв­ ляется обработка сигналов, имеющих разную форму представления. Книга может быть полезна также преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов вузов в качестве пособия при изучении комбинированных вычислительных уст­ ройств.

Рецензент С. Ш. Шаров

© Издательство « Э н ерги я », 1974

Глава п е р в а я

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

1-1. Назначение, способы построения

иклассификация цифро-аналоговых

ианалого-цифровых вычислительных устройств

Внастоящее время вряд ли можно найти такую сферу челове­ ческой деятельности, в которой бы не использовались средства сов­ ременной вычислительной техники, и прежде всего быстродейст­ вующие электронные вычислительные машины различного прин­ ципа действия и назначения.

Особую роль в непрерывном повышении производительности физического и умственного труда играют цифровые и аналоговые вычислительные приборы, машины и системы, используемые в ав­ томатических и автоматизированных системах измерения, передачи, переработки и отображения информации.

Однако во многих практических случаях возникает необходи­

мость совместного использования средств и методов аналоговой

ицифровой вычислительной техники с целью существенного повы­ шения технико-экономических показателей автоматического про­ цесса математической обработки информации. Поэтому в настоящее время наряду с традиционными методами раздельного использова­ ния аналоговых (АВМ) и цифровых (ЦВМ) вычислительных машин получила самостоятельное направление теория и практика созда­ ния комбинированных средств и методов вычислительной техники— так называемых комбинированных вычислительных комплексов (КВ К)

икомбинированных вычислительных устройств (КВУ) [5, 20, 35,

73].

Комбинированные вычислительные комплексы и устройства позволяют разработчикам средств вычислительной техники в наи­ более полной мере использовать положительные характеристики АВМ и ЦВМ при реализации конкретного вычислительного про­ цесса, комплексного математического моделирования или модели­ рования автоматической системы управления объектом.

5

При создании комбинированных вычислительных комплексов (КВК) используется рациональное комплексирование типовых АВМ, ЦВМ, устройств связи (преобразователей информации), уст­ ройств программного управления и устройств отображения инфор­ мации.

Типовая структурная схема КВК, изображенная на рис. 1-1, является в общем случае многомашинной вычислительной системой, содержащей аналоговые и цифровые типовые вычислительные ма­ шины, устройства преобразования физической природы и формы представления информации [аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи], устройства коммутации (КУ)

цепей аналоговых и циф­

поставленной задачи независимо от того, от каких внешних источ­ ников — аналоговых или цифровых — вводятся исходные данные вычислительного процесса. Подобные КВК позволяют в определен­ ном смысле сочетать в единой вычислительной системе быстродейст­ вие АВМ с точностью ЦВМ, осуществлять совмещение цифрового и физического моделирования сложных систем, производить сов­ местную обработку аналоговой и цифровой входной информации, расширять возможности аналогового моделирования за счет исполь­ зования цифровой памяти, логики и цепей управления, повышает скорость обработки цифровой информации за счет применения ана­ логовых подпрограмм и т. д.

Без применения КВК в настоящее время немыслимо моделиро­ вание сложных систем управления, создание тренажеров, кон­ трольно-диагностической аппаратуры и телеметрических систем в авиации и космонавтике, моделирование физических процессов, описываемых уравнениями в частных производных, и решение мно­ гих других важных проблем современной науки и техники.

Частными и более простыми реализациями КВК являются со­ четания аналоговых и-цифровых методов и средств представления,

6

передачи и обработки информации в рамках одной — как правило, аналоговой — машины, осуществляемые с целью повышения экс­ плуатационно-технических характеристик АВМ и расширения сферы их применения.

К таким АВМ относятся так называемые итеративные АВМ, по­ зволяющие осуществлять математическую обработку аналоговой информации численными методами, АВМ с цифровой логикой, про­ граммным управлением и т. д.

Примерами удачного использования аналоговых методов обра­ ботки цифровой информации являются цифровые интегрирующие машины (ЦИМ), современные разработки которых, кроме цифро­ вых интеграторов, содержат блоки арифметических цифровых ма­ шин и аналоговые интеграторы.

Во всех вышеуказанных КВКосновными устройствами, точность, надежность и быстродействие которых определяют в конечном счете аналогичные параметры всего КВК, являются устройства для пре­ образования физической природы носителя и формы представления информации — цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразо­ ватели информации.

С середины пятидесятых годов эти устройства стали рассматри­ ваться с точки зрения возможности выполнения на них вычисли­ тельных—линейных и нелинейных— операций с целью некоторой программной разгрузки ЦВМ, повышения скорости обработки цифровой и точности обработки аналоговой информации, уменьше­ ния общего объема оборудования КВК и оптимального решения ряда задач передачи и отображения информации.

Успешные исследовательские работы многих советских и зару­ бежных авторов привели к созданию нового типа устройств вычис­ лительной техники — цифро-аналоговых и аналого-цифровых вы­ числительных преобразователей информации (ВПИ), органически сочетающих в рамках единой схемно-конструкторской реализации функции преобразования физической природы носителя и формы представления информации с функцией математической переработки информации.

Все вычислительные преобразователи информации подразде­ ляются на три группы:

ВПИ, построенные на основе функциональных элементов и уз­ лов цифровой вычислительной техники;

ВПИ, построенные на основе функциональных элементов и уз­ лов аналоговой вычислительной техники;

ВПИ, построенные на основе элементов и узлов как аналоговой, так и цифровой вычислительной техники.

К первой группе относятся ВПИ числа импульсов N в цифровой код х (N->x) и кода х в число импульсов N (х -* N), частоты / им­ пульсов в код х (/ -v х) и кода х в частоту импульсов f (х -> /), дли­ тельности т импульсов в код х (г х) и кода х в длительность им­ пульсов т (х т) и, наконец, кода хх в код х 2 (хх -> х 2).

7

Общим свойством перечисленных‘ВПИ является отсутствие при реализации заданной математической зависимости преобразований кодов в промежуточные аналоговые величины. Поэтому ВПИ пер­ вой группы относятся к цифровым устройствам, перестраивающим свою структуру в соответствии с заданной функциональной харак­ теристикой Z = F (Хъ Х 2, . . . , Хт) под воздействием входного Xj или выходного Z сигнала.

Вторая группа ВПИ представлена пассивными и активными электрическими цепями (ЭЦ) с управляемыми резисторами (УР)

и„ v,„ Um

V2I

%

Uzm

Рис. 1-2. Активная нелинейная управляемая электричес­ кая цепь типа обобщенного операционного усилителя

или управляемыми источниками напряжения (УИН). В качестве управляющих параметров 0 чаще всего используются механиче­ ские перемещения деталей а, длительность прямоугольного импульс­ ного напряжения т, частота переменного напряжения /, цифровой

код х, мгновенное или амплитудное напряжение и т. д.

Пассивные нелинейные управляемые ЭЦ с управляемыми элемен­ тами (УР и УИН) выполняются, как правило, в виде управляемых делителей напряжения (УДН), выходное напряжение Uz которых изменяется по заданной функциональной зависимости Uz = U0F (0) от управляющего параметра 0.

Активные нелинейные управляемые ЭЦ с управляемыми элемен­ тами выполняются по двум основным схемам: компенсационной схеме типа обобщенного операционного усилителя (ОУ) и компен­ сационной схеме мостового типа.

8

управляющие параметры, воздействующие на соответствующие управляемые резисторы нелинейных многополюсников НЭЦ 1, НЭЦ 2, НЭЦ 3 и НЭЦ 4, включенных в цепи делителей обратных связей по верхнему (Ки i) и

нижнему (/Су2) параллельным каналам усиления.

В частном случае, при использовании только одного

образуется в широко распро­ страненную схему операцион­ ного усилителя с потенциаль­ но-заземленным входом (Ца~

» 0). Следует отметить, что

вкачестве выходного пара­ метра, реализующего об­

напряжение усилителя пре­ Рис. 1-3. Мостовая автобалансная

образуется в соответствующий

управляемая ЭЦ

управляющий параметр при помощи преобразователей формы пред­ ставления информации ПФИ 1, ПФИ 2, а выходными параметрами схемы являются 0,, и 0,,.

Мостовая автобалансная управляемая ЭЦ (рис. 1-3) структурно аналогична предыдущей схеме операционного усилителя, с той лишь разницей, что в ней электрические напряжения используются лишь в качестве источников питания схемы, а не в качестве носи­ телей входной или выходной информации.

Управляемые сложные проводимости Уь У 2, У3, У4 образуют плечи моста, равновесное состояние которого обеспечивается ав­ томатически за счет цепей обратной связи 02, изменяющих в общем

усилителя ошибки рассогласования (УОР). Преобразователь формы представления информации (ПФИ) является обязательным блоком мостовой схемы и входит в состав цепи обратной связи. Известно,

9