Введение к работе
Современный этап развития науки и техники характеризуется быстро растущими требованиями к эффективности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и устройств различного назначения, в том числе к эффективности РЭА и приборов для научных исследований.
Схемотехника таких средств до недавнего времени развивалась, в основном, по структурно-функциональному принципу (СФП-подход): электрическая цепь (ЭД) строится из блоков (ячеек) функциональных элементов (ФЭ), выполняющих определенные типовые функции/операции (от усилителей и сумматоров до АЦП и микроэвм). Эффективность АКТИВНЫХ электронных схем (ЭС) из таких блоков и ФЭ при этом определяется: а) уровнем развития и параметрами компонентов общего применения (or R,C до "чипов"); б) номеклатурой и возможностями ФЭ общего и специального назначения; в) информационным и методическим обеспечением разработчиков схем и устройств.
ФЭ развиваются по двум основным путям:
-
Эволюционное совершенствование традиционных ФЭ (аналоговых и дискретных, общего и частных применений). При этом трудно преодолеть основные слабости СФП: а) "арифметический" рост массы, габаритов, энергопотребления, стоимости и...шумов устройств и РЭА с ростом их сложности (количества функций); б) обычно обратное снижение надежности, чувствительности, быстродействия.
-
Разработка новых ФЭ (новые их функции, качества), позволяющих ослабить или обойти некоторые из таких слабостей.
АКТУАЛЬНОСТЬ и обоснование диссертации в рамках второго пути обусловлены и все более настоятельной необходимостью шире и глубже сопрягать технологию и технику (насыщенные цифровой электроникой обработки и управления) с естественными процессами, обычно непрерывными. Отсюда потребность в АНАЛОГО-ДИСКРЕТНОЙ (АД) схемотехнике для развития АД интерфейсов. Ее методологическое и теоретическое обеспечение в последние десятилетия стимулировалось и развитием "гибридных" (в смысле АД свойств) ЭВМ и преобразователей (АЦП,ЦАП) для радиоэлектроники, вычислительной техники, систем управления. Большой вклад в это внесли многие школы, авторы (библиография в [2, 36-39] и [Д1] - см. ниже). Их опыт и достижения показывают большие резервы повышения эффективности РЭА по второму пути.
Диссертация посвящена дальнейшему развитию АД схемотехники, созданию ФЭ и устройств с новыми АД свойствами и более широкими возможностями за счет уплотнения ("концентрации") нужных функций, их "самоорганизации" с использованием более компактных схемотехнических решений. Раскрываемая ниже АД концепция, ее методология и принципы приводят к более эффективным решениям, чем чисто ана-
- 4 -логовые или дискретные, особенно при разработке экономичной РЭА, необходимой во многих областях. В диссертации это подтверждено на приборах и аппаратуре для научных исследований, разработанных и внедренных в производство и научную практику.
Актуальность работы подтверждена и ее тесной связью с крупными комплексными программами: "Автоматизация научных исследований", "Микрометоды в химии белка" и др. (пост. СМ СССР N131 от 18.2.75г, пост. ГКНТ СССР N69 от 28.2.79г.), а также с рядом НИР И ОКР (per.NN 73042589, 74049740, 770622876 и др).
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. Научные цели работы - создание общей концепции и методологии формирования и исследования АД свойств в автономных схемах (от ФЭ и сложнее) с существенно нелинейными обратными связями (ОС), развитие на этой основе усилителей и преобразователей, стабилизаторов и генераторов и других элементов устройств с качественно новыми или расширенными функциональными возможностями.
На пути к этим целям ставились и решались этапные задачи всесторонней разработки нового схемотехнического подхода: использования функциональных непрерывнологических ОС для целенаправленного обогащения свойств ФЭ и схем, а именно для совмещения в них аналоговых и дискретных свойств без пропорционального аппаратурного усложнения, но с улучшением тех или иных технических или/и эксплуатационных характеристик. Для этого потребовалась:
Развить физическую (измерительную) интерпретацию аддитивных ОС в автономных ЭС, снять накопившиеся противоречия и неясности.
Развить единую методологию синтеза и анализа существенно нелинейных (ступенчатых) функционально-логических ОС.
Довести ее до уровня инженерной практики, компактных методов анализа и расчета новых АД сеойств и синтеза АД схем.
Осуществить их экспериментальную проверку (для верификации теории) и практическую проверку (для подтверждения реальных преимуществ новых решений) в рамках поставленных задач.
Конечными прикладными задачами работы явились разработка и выпуск новых устройств и сррдптв радиоэлектроники, их внедрение в научное приборостроение (физические, биомедицинскне исследования), предъявляющее к ним новые быстро расширяющиеся требования.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА достижения указанных целен и задач.
Исходные положения теоретической электротехники и теории цепей.
Доработка и уточнение опирающегося на них основного понятийного аппарата и корректной терминологии.
Современные представления непрерывной, дискретной и гибридных алгебр и логик и опирающихся на нпх областей схемотехники (например, см. Волгин Л.И. Непрерывная логика и ее схемотехнические применения.- Ульяновск: УГТУ, 1996.- 108с). *[Д13
Математические методы анализа устойчивых линейных цепей.
Геометрический подход: кусочно-линейная (КЛ) графическая аппроксимация основных нелинейных эффектов в реальных схемах -как их внешних свойств, так и внутренних свойств контуров ОС.
Упрощенные графоаналитические методы анализа внешних свойств таких схем и синтеза их структур.
НА ЗАЩИТУ ПРЕДСТАВИШСЯ: концепция формирования комбинированных АД свойств в ЭС с функционально - логическими ступенчатыми ОС, основы теории и схемотехники таких схем. Это поэтапно раскрывается рядом результатов.
-
Разработаны основы дихотомической классификации схем с ОС для определения сферы приложения работы (ее места) в обширной современной схемотехнике и теории нелинейных цепей.
-
Разработан и разносторонне апробирован новый замкнутый способ измерения физических показателей ОС в ЭС.
-
На основе этого способа обобщены физические (измеряемые) свойства аддитивных ОС в схемах различного назначения, включая:
а) систематизацию и уточнение свойств дифференциальной возвратной передачи (ВП) и ее частного случая - контурной передачи, основных показателей, характеризующих ОС в одно- или многоконтурных активных схемак; б) графическую интерпретацию нелинейной ОС как зависимости ВП от полных узловых напрядений контура, управляющих параметрами входящих в него нелинейных компонентов.
4. Развит методологически единый геометрический подход к
оценке и реализации аналоговых, дискретных и совмещенных АД
свойств в неделимых схемах с НЕЛИНЕЙНЫМИ ОС, включая:
а) обобщенную модель ступенчатой аппроксимации существенно нели
нейных зависимостей ВП от напрядений, управляющих нелинейностями;
б) основы синтеза сложных зависимостей ЕП;
в) классификацию основных видов АД функционально-логических ОС;
г) основные принципы их схемотехнического использования.
5. Рззеит единый компактный инженерный метод анализа статики
и основ динамики АД схем на ОУ со ступенчатыми ОС, включающий:
а) графоаналитические анализ и синтез сложных статических характеристик (СХ); б) исследование и расчет релаксационных процессов в контурах ОС с функциональными емкостями.
6. Опираясь на разработанные методологию и теорию, созданы новые группы (классы) схемотехнических решений, во многом качественно превосходящие традиционные решения (см. ниже).
ДОСТОВЕРНОСТЬ защищаемых положений обоснована методологически (широко апробированными подходами и математическими методами теоретической электротехники). Она подтверждена экспериментально (измерениями на реальных схемах), схемотехнически (разработан ряд
- 6 -новых перспективных схемных решений) и практически - внедрением многих из них в производство и реальное использование (см. ниже). НАУЧНАЯ НОВИЗНА этих результатов состоит в следующем:
-
Классификации ОС опирается на измеряемые (количественно определяемые) показатели ОС, на уточнение основных понятий и дихотомический (двузначный) принцип сечения областей и подобластей, устраняющий неопределенности и разночтения (в пределах четкости определений признаков, критериев, терминов - см. приложение).
-
Измерения количественных и качественных показателей ОС выполнены с последовательным введением возмущающей ЭДС в замкнутый контур (без его разрыва - условие достоверных измерений в любых схемах с ОС - нелинейных, неустойчивых и др.).
-
Этим более надежным и точным способом физические свойства ОС впервые достоверно исследованы экспериментально в полных диапазонах напряжений для разных классов схем о существенно нелинейными ОС (ступенчатыми ОС в КЛ аппроксимации), в т.ч. неустойчивых.
-
Обобщена и исследована роль ступенчатых зависимостей ВП в формировании и совмещении аналоговых и дискретных свойств в неразделимых контурах функциональных ОС. Сформулированы основные принципы синтеза таких ОС и использования их внешних АД свойств.
-
Новизна образной геометрической методологии и теории (развивающих эффективное схемное мышление) облегчила реализацию многих полезных АД свойств, синтез реализующих их структур и схем.
Новизна и приоритет защищаемых результатов подтверждены изобретениями и/или публикациями, дипломами, наградами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том, что на основе развитых методологического и теоретического подходое предложены принципы создания, методы анализа и синтеза разнообразных схем с функционально-логическими ступенчатыми ОС и АД свойствами. Они апробированы и практически использованы в следующих конкретных группах (классах) схемотехнических решений (обычно с качественными преимуществами и экономией в разработке, производстве или эксплуатации конечных ФЭ, устройств и комплексов, их включающих).
-
Предложены новые экономные варианты использования регенеративных скачков в контурах ступенчатых ОС для автоматического выключения/включения стабилизаторов напряжения (СН), например,при токовых перегрузках - без ухудшение функции стабилизации и без их аппаратурного усложнения. Предложены взаимные порогово-логические связи в группе СН, что расширяет возможности самозащиты и адаптивной самоорганизации многоканальных источников питания (ИШ.
-
Нелинейные и ступенчатые ОС применены для реализации новых АД функций в процессорах аналоговых сигналов (преобразователях, формирователях, генератора?;). Е том числе: регенеративные скачки
- 7 -при пороговых сигналах использованы для включения/выключения усилителей, переключения их усиления или/и фазы, получения внешних синхроимпульсов и т.п.; существенно расширен диапазон перестройки частоты в простых RC-генераторах при сохранении качества гармонических колебании; предложены компактные легко" перестраиваемые частотные полосовые фильтры на этой основе; созданы специальные измерительные устройства для биомедицинских исследований.
3. Создана и исследована группа оригинальных преобразователей аналоговых сигналов с автоматическим переключением динамических диапазонов, сочетающих линейную передачу в отдельных поддиапазонах с цифровым их кодированием. Они представляют новый класс "кодирующих аналоговых процессоров" (КАП) с целевым интенсивным совмещением в них аналоговых и дискретных функций и операций для расширения их адаптивной гибкости и синергетических возможностей включающих их устройств и систем.
-
Предложены принципы и разработана функциональная схема новой проблемно-ориентированной гибридной ЭВМ для моделирования и анализа сложных кривых (типа спектров). Вылущенная затем малой серией, она показала свою высокую эффективность в различных фундаментальных и прикладных научных исследованиях (см. заключение).
-
На основе АД свойств контуров нелинейных ОС предложены и разработаны новые схемные решения ФЭ и блоков гибридных ЭВМ и приборов с расширенными функциональными возможностями: универсальные и специализированные преобразователи функций (ФЩ, узлы масштабирования и сложения, коммутации, управления.
СОВОКУПНОСТЬ полученных результатов можно считать основой нового перспекхнвного направления в АД схемотехнике (в теоретическом и прикладном аспектах).
ВНЕДРЕНИЕ результатов работы проходило, в основном, в рамках крупных программ (см. выше) и важных народнохозяйственных задач по созданию современных приборов и высокопроизводительной РЭА для научных исследований. Были разработаны и внедрены в производство: ряды унифицированных ИП, система блоков для исследований электрических характеристик нейронов и мембран, специальная гибридная ЭВМ и др. Большинство их доведены до выпуска (серийно, опытными партиями или ОКР-образцами) и полезных применений в исследованиях по многим крупным научным проблемам. Проявившиеся при этом их функциональные достоинства, производственная или/и эксплуатационная экономия подтверждены актами, наградами, отзывами. Триггерная самозащита реализована в серийных микросхемах К142ЕН.
ПУБЛИКАЦИИ, отражающие научные и практические результаты по тематике диссертации, перечислены в библиографии (см.ниже и [2]):
- 8 -всего около 60 публикаций по теме, включая 7 изобретений и две монографии (в т.ч. обобщающая [2] - "Наука", 280с, 2700эка). Некоторые переведены или/и цитированы аа рубежом [1,2,15,35.373.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА в научные результаты работы зафиксирован в монографиях [1,23 и большинстве публикаций, выполненных лично. Его существенный вклад во внедрение использующих эти результаты приборов и аппаратуры в производство и в практику и в итоговые коллективные публикации подтвержден в актах, справках, отзывах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации неоднократно представлялись и обсуждались:
1. На международных конференциях,симпозиумах,...(МНТК):
Научприбор СЭВ (Москва,1978 [383);
Непрерывные и смежные логики в технике...(Пенза, 1996 [47,483).
2. На Всесоюзных научно-технич. конференциях, школах,...(ВНТК):
Сессии, посвященные "Дню радио" (Москва: 1962 [10,113, 1968, 1978 [30,363):
Вторичные источники электропитания (Ленинград, 1970 [213);
Развитие физиологического приборостроения (Москва, 1968 [233);
Биологическая и медицинская электроника (Свердловск,1972 [243);
Автоматизация научных исследований (Владивосток,1973 [273; Бакуриани, 1975; Гатчина, 1977 [393 и др.);
Технические средства аналоговой и аналого-цифровой вычислительной техники (Кишинев, 1975 [293; Москва, 1977 [283);
Автоматизация анализа химич.состава веществ (Москва,1980 [393);
"Химические сенсоры-89" (Ленинград, 1989 [423):
Микроэлектронные датчики в машиностроении (Ульяновск,1990 [413);
Электронные датчики "СЕНСОР-91" (Ленинград, 1991 [433):
ВНТК по биофизике, биохимии, спектроскопии [25,27,38,39 и др.З.
-
На выставках и ярмарках: ВДНХ СССР (1977), Лейпциг (1975-80), ведомственные выставки АН СССР и РАН.
-
На ведомственных и региональных НТК, семинарах, совещаниях в Москве, Дубне, Пущине, Ульяновске.
Похожие диссертации на Основы теории, схемотехника и применения электронных схем с аналого-дискретными обратными связями
