Elektronika_i_skhemotekhnika

выражениями, содержащими только символы параметров элементов) коэффициентами.

На функциональном аспекте (см.) осуществляется отсечение решений, которые не удовлетворяют требованиям качества системы с помощью функций выбора, сформулированных для данного этапа. Оставшееся подмножество содержит эквивалентные возможные решения, т.е. неразличимые с помощью функции выбора данного этапа. На основе полученного подмножества решений формируются функции выбора для каждого следующего этапа проектирования. Для следующего этапа лицом, принимающим решения (ЛПР), осуществляется выбор из синтезированного подмножества одно из эффективных решений (см.). Здесь эффективным считается решение, удовлетворяющее требованиям пользователей к качеству изделия.

Конечно, одной из важнейших задач, решаемых на этом аспекте, является прогнозирование развития принципов и способов построения электронных систем и методов обработки, а также передачи информации.

Традиционно проектирование схем разделяют на два этапа: аппроксимацию и реализацию [1a]. Конечно, выбор принципов построения подразумевался, но он специально не выделялся, поэтому не проводилось в обязательном порядке их сравнение, также как способов и структур изделия. Выбор часто сводился к последовательному и с обратными связями принципам без рассмотрения и оценки качества альтернативных решений.

Реализация подразумевает интуитивное создание одной схемы компонента и оптимальный синтез параметров и допусков элементов. Этап "способ построения" отсутствовал. К тому же найденное «оптимальное» решение часто плохо вписывалось в возможности конструкторского и технологического аспектов проектирования, а поэтому просто отвергалось. Кроме того, в методах оптимизации не учитывается время необходимое на поиск оптимального решения, стоимость этого поиска, а также наличие значительного числа вербальных переменных.

Из-за отсутствовавших единых методов синтеза способов и структур различных аналоговых электронных устройств, проектировщикам до сих пор приходится при решении новых задач заниматься изобретательством.

Принципиальное различие между традиционными методами проектирования и предложенным подходом состоит в том, что в первом случае проектировщик по заданным техническим условиям ищет в литературе схему устройства, которое предположительно удовлетворяет требованиям заказчика.

Далее в результате анализа схемы находится, например, еѐ передаточная функция, содержащая коэффициенты, описываемые через символы параметров элементов устройства. По этой функции и определяется пригодность устройства для изготовления и практического использования. Если оказывается, что структура устройства не позволяет реализовать заданные требования, то еѐ пытаются каким-то образом модернизировать. Если попытка оказывается неудачной, то ищут следующую схему или отказываются от разработки.

Во втором случае процедуры выстроены так, что искать необходимую схемунет надобности. Если у проектировщика имеется доступ к электронной базе знаний, то в ней, возможно, и найдѐтся необходимое решение. Однако если такого решения нет, то, используя вышеприведѐнную модель проектирования, сначала выбирают принцип построения (последовательный, параллельный, преобразования переменного тока в постоянный или наоборот, цифрового сигнала в аналоговый и обратно аналоговый в цифровой и т.д.).

Затем синтезируют передаточную функцию, реализация которойсоздаѐт устройство с характеристиками, удовлетворяющими всем сформулированным требованиям, а потом по ней уже синтезируют структуру устройства и рассчитывают параметры элементов.

Таким образом, о свойствах и характеристиках будущей схемы становится всѐ известно до появления самой схемы изделия.

Предложенный подход и методы решения задач всех этапов проектирования позволяют формализовать большую часть задач проектирования и создать систему автоматизированного синтеза аналоговых систем (САПР САСАС).

Введение этапа способы построения привело к необходимости построения их исчисления и сравнения с точки зрения выполнения требований, предъявляемых к качеству изделия. Кроме того, для функционального аспекта потребовалась разработка методов построения функции выбора для этапов: способы построения и синтез структуры. Для последнего были модернизированы алгоритмы, изложенные в [5].

Теоретическое обоснование модели проектирования приведено в [2,1] и в главе 3, а процедуры этапов проиллюстрированы синтезом устройств различного назначения.

Проблемы, из-за которых не решались формально задачи структурного аспекта в течение ХХ века, были обусловлены отсутствием:

–теоретически обоснованной и обеспеченной всеми необходимыми данными последовательности этапов проектирования;

–символьных критериев выбора эффективных вариантов решения задач для каждого этапа проектирования, в совокупности обеспечивающих качество компонент, подсистем и всей системы, удовлетворяющих требованиям потребителей изделий;

–технологии параллельного проектирования электронных схем, конструкции и технологии на общем понятийном языке;

–постановки задачи синтеза эффективного множества решений на каждом этапе всех аспектов проектирования изделия, для обеспечения возможности порождения эффективных решений всем участникам проекта;

Конструкторский аспект (см.) по своей сложности несколько уступает структурному, так как для него разработаны системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие выполнять в многослойных кристаллах разводку соединений свыше одного миллиарда элементов. Представьте для сравнения город, содержащий такое число домов, между которыми необходимо осуществлять информационные коммуникации, подвод электроэнергии, отвод тепла, обеспечивать надѐжность работы и ремонт.

Традиционно разработчики конструкции начинали выполнять свою работу после того, как закончится проектирование структуры. Это приводило к тому, что не все требования и ограничения конструкторского аспекта проектирования своевременно учитывались на структурном аспекте. В результате какая-то часть проекта разработчиков предыдущего аспекта требовала перепроектирования, что увеличивало стоимость и время проектирования. В условиях жѐсткой конкуренции на рынке производителей электронных чипов отставание по времени выпуска изделия делало его производство на уже занятом рынке не рентабельным.

Технологический аспект(см.) в области микро и наноэлектроники является опережающим по отношению к остальным аспектам, поэтому требования технологии, еѐ ограничения и возможности, параметры новых элементов, из которых будут создаваться новые подсистемы и компоненты, являются основными.

При традиционном подходе изложение учебного материала начинается с известной схемы, которая неизвестно как была получена (чаще всего была изобретена). Поэтому остаются тайной за семью печатями способы построения и синтез структуры устройств.

Построение схемы необходимо после этапа параметрического синтеза для последующего моделирования, с целью уточнения влияния на характеристики «малых параметров» реальных элементов, а также конструктору и технологу.

Конечно, в рамках ограниченного числа часов на дисциплину невозможно строго излагать весь необходимый материал. Автором используется известный по работам Дж. Пойа подход с применением правдоподобных рассуждений, позволяющий логически строго в отведѐнное время излагать необходимый материал.

Такое изложение дисциплины создаѐт у обучающихся твѐрдые знания [6] системных методов проектирования. Кроме того, становятся видны возможности многократного применения одних и тех же принципов и способов построения в совершенно разных по назначению устройствах и далѐких друг от друга областях науки и техники [2, 6, 7].

Обучающиеся вырабатывают компетенции по синтезу оригинальных задач (см.), им достаточно знать небольшое число методов для порождения всего многообразия электронных устройств. Они начинают понимать влияние на вид и особенности характеристик системы вида еѐ математической модели, структуры коэффициентов модели и структуры электронной цепи.

Литература

1.Лыпарь Ю.И. «Системный синтез структур электронных и электрических цепей. Часть I. // Электричество, №2, 2007»

2.Лыпарь Ю.И. Системное проектирование. Функциональный и структурный аспекты.// Кибернетика и информатика. Сборн. статей, Изд-во «Политехника», 2006, стр. 217-238

3.Лыпарь Ю.И. Чувствительность, безусловная устойчивость и качество систем.// Кибернетика и информатика. Сборн. статей, изд-во «Политехника», 2006, стр. 239-253

4.Лыпарь Ю.И. Системно-структурный синтез // В учеб. пособии «Системный анализ и принятие решений. Словарь-справочник под общ. Ред. В.Н. Волковой и В.Н. Козлова, М. Высш. Школа, 2004, стр. 427-439 .

5.Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов.—3-е изд., перераб и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984.— 432 с.

6.Лыпарь Ю.И. Синтез баз знаний аналоговых электронных устройств.// Ульяновск: Труды междунар. конф. «Континуальные и алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике», т.3, 2006, стр.120-128

7. Токарев Р.В., Лыпарь Ю.И. Модели формирования портфеля ценных бумаг. – С-Пб.: Научно-технические ведомости СПбГПУ, №1 (31), 2003, стр.

185-188

ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИЗЛОЖЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

В связи с чрезвычайно быстро изменяющейся элементной базой информационных систем, основой которых является цифровая и аналоговая электронная техника, единственным методом сохранения знаний, приобретаемых во время обучения, является усвоение и запоминание не фактов, а идей, принципов, способов, методов построения структур различных устройств и методов расчѐта параметров их элементов.

Теоретической базой такого обучения и систематизации знаний является системный синтез и анализ структур [1]. В соответствии с этим ниже излагаются основные понятия теории систем.

Термин система используют для характеристики некоторого объекта (материального или инструмента познания) как целого, состоящего из компонент, но достаточно сложного, из-за чего его не удаѐтся представить простым описанием. Определений системы существует несколько десятков [2], поэтому их используют в зависимости от уровня рассмотрения системы. Воспользуемся одним из рабочих определений, которое будет наиболее близко к задачам, рассматриваемым в пособии, данное Ю.И. Черняком:

Система есть отображение на языке наблюдателя (лица принимающего решения (ЛПР), исследователя, конструктора) объектов, отношений и их свойств в решении задач познания.

В этом определении на первом месте стоит ЛПР, переводящий на своѐм языке возникшую потребность в новом объекте или его усовершенствовании в цель существования системы. Далее идут объекты, каждый из которых состоит

из компонентов и их связей между собой и внешней, по отношению к объекту и системе, средой.

Понятно, что свойства и поведение механической и электронной систем требуют несколько разных языков описания, хотя математические модели, как правило, оказываются весьма схожими. Благодаря этому свойству единый системный подход к решению задач из разных областей знания так плодотворен.

Элемент. Под элементом конкретной системы будем понимать простейшую неделимую еѐ часть. При этом нас не будет интересовать внутреннее устройство элемента, а будем давать описание его внешних свойств и характеристик, которые интересны для построения компонента, блока или системы.

Подсистемы и компоненты. Система, как правило, имеет иерархическую структуру. Поэтому еѐ сначала делят на подсистемы или на компоненты. Понятие подсистемы вводят для описания независимой части системы, обладающей свойствами системы: собственную подцель, компоненты, элементы, целостность.

В случае, если система не делится на подсистемы, а представляет собой совокупность элементов, то такие части принято называть компонентами.

Связь. Она обеспечивает соединение элементов, компонентов, подсистем в единое неразделимое целое – в систему, ибо только связи обеспечивают новые свойства системы, и отбрасывание хотя бы одной из них приводит к иной системе и по структуре и по свойствам.

Целостностьсистемы проявляется в возникновении у неѐ новых качеств, несвойственных еѐ элементам, компонентам, подсистемам и т.д. Иными словами свойства системы не являются простой суммой свойств, составляющих еѐ элементов, но формируются ими. Довольно часто элемент системы утрачивает некоторые из своих свойств, но может приобрести новые. Свойство целостности связано с целью, для реализации которой создается система.

Итак, рассматривая варианты обработки информации, будем указывать сначала цель, т.е. то, что необходимо получить в результате преобразования поступившей информации (функциональный аспект проектирования).

Затем синтезируются или выбираются из известных несколько возможных принципов построения системы (структурный аспект проектирования). Например, широко распространѐнный в ХХ веке последовательный принцип соединения компонент постепенно, благодаря достижениям современной нанотехнологии элементов (технологический аспект проектирования), заменяется параллельным принципом построения систем,

для которых обеспечивается большая надѐжность и быстродействие выполнения заданных функций, но и требующих больших затрат.

Невозможно создать формально систему, подсистему и компонент, если нет описания его желаемых характеристик с помощью математической модели, которая покажет возможность достижения цели (этап аппроксимации).

Далее на основе модели строится исчисление способов достижения параметров математической модели с помощью известных компонентов или элементов. синтезируется структура системы, т.е. выбираются известные элементы и создаются связи между ними. В заключение уточняются характеристики системы и еѐ параметры, необходимые для взаимодействия системы с окружающей средой и другими системами.

Информация передаѐтся с помощью аналоговых (континуальных) и цифровых сигналов. В соответствии с этим благодаря огромным достижениям в области нанотехнологии производства интегральных схем изготавливают на одном кристалле аналоговые, электромеханические и цифровые подсистемы. Хотя последние в области обработки информации занимают преобладающее место, но исполнительные устройства и органы восприятия человека являются аналоговыми. В связи с этим в пособии наряду с цифровыми компонентами будет излагаться синтез аналоговых компонент.

Информация преобразуется чрезвычайно большим числом вариантов, но разрабатывать и изготавливать для каждого варианта уникальное по составу элементов устройство экономически и по времени невозможно. В связи с этим были проведены исследования, позволившие определить минимальное число различных элементов, с помощью которых можно осуществить любые преобразования сигналов. Для цифровых сигналов это логические элементы И и ИЛИ, которые могут быть заменены или логическим элементом И-НЕ, или логическим элементом ИЛИ-НЕ. Кроме того, для оперативного хранения поступающих для обработки сигналов необходимы элементы памяти, которые в основном реализуются с помощью триггеров Серийно впускаемые промышленностью цифровые устройства содержат в качестве основы один из вышеназванных элементов.

В пособии (из-за ограниченности объѐма) будет изложено построение цифровых устройств на логических элементах «И-НЕ».

Для любых преобразований аналоговых сигналов достаточно иметь устройства, выполняющие функции масштабирования (усиления, ослабления), алгебраического сложения, фильтрации, сравнения, ограничения и перемножения. Как для аналоговых, так и для цифровых устройств ещѐ необходимы вспомогательные устройства: источники питания, генераторы и эталонные элементы (прецизионные элементы: резисторы, кварцевые

резонаторы, стабилитроны и т.п.; вспомогательные компоненты: преобразователи аналогового сигнала в цифровой (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), компоненты укорочения). В пособии будут рассмотрены способы построения и конкретные схемы, реализующие все указанные функции.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

Сигнал — это физический носитель сообщения (информации) о какихлибо событиях, состояниях объекта, командах управления и т. п. Можно сказать, что сигнал «имеет две стороны»: содержание, т. е. переносимую им информацию, которая возникает при случайных процессах взаимодействия объектов со средой или при целенаправленном воздействии на них системы управления, и форму, т. е. определенный характер изменения своих параметров, в соответствии с информацией, которая подлежит передаче или хранению. В общем случае выбор той или иной формы представления информации называется кодированием и зависит от способа ее дальнейшей обработки. Обратная операция — выявление закодированной, в сигнале информации — называется декодированием.

Наряду с сигналами в теоретических и экспериментальных исследованиях широко применяют воздействия — сигналы специального вида. Их подбирают так, чтобы нужные характеристики устройств получались наиболее просто.

1.2.АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ

Врассматриваемых электронных цепях носителями информации будут электрические колебания. Для кодирования информации используют изменения параметров электрических колебаний. Такое кодирование принято называть модуляцией, которая может быть выполнена различными способами. Аналоговые сигналы описываются непрерывной во времени функцией х(t), которая может принимать любые значения в определѐнном диапазоне. Если сообщение передается за счет непрерывного, в общем случае континуального, изменения того или иного параметра электрических колебаний, то говорят о непрерывной, или аналоговой, модуляции. На рис. 1.1 приведены наиболее часто употребляемые в информационных системах сигналы для передачи непрерывных величин.

Это могут быть напряжение или ток с меняющимся уровнем и изменяющимся направлением (рис. 1.1, а), либо колебания с изменяющейся амплитудой (АМ) (рис. 1.1, б), частотой (ЧМ) или фазой (ФМ), (рис. 1.1, в).

а)	uc
0
	t

б)	uАМ
0
	t
в)	uЧМ, uФМ
0
	t

Рис.1.1. Типы модуляции аналоговых сигналов

Колебания высокой, или, как принято говорить, несущей, частоты играют здесь роль переносчика информации: передаваемый низкочастотный сигнал заложен в изменениях того или иного параметра колебаний несущей частоты. Обратное преобразование — отделение сигнала от его переносчика называют демодуляцией.

В качестве переносчика сигнала можно применять не только гармонический сигнал. Можно использовать, например, периодические последовательности импульсов, обычно прямоугольной формы (рис. 1.2). Такой сигнал характеризуется следующими параметрами: длительностью импульса (t и), длительностью паузы (t п), периодом следования импульсов (T), частотой следования импульсов (f = 1/T).

x

Xм

tи		tп	t
	T

Рис.1.2. Периодическая последовательность импулсов и их

В этом случае исходная информация передается за счет модуляции длительности импульсов tи (ШИМ, рис. 1.3, б) при постоянной частоте их следования; за счет изменения периода Т при постоянной длительности импульсов (ЧИМ, рис. 1.3, в); или за счет изменения высоты импульсов Хm (АИМ, рис. 1.3, г). Для большинства непрерывных функций достаточно передать определенный ряд их мгновенных значений, чтобы на приемном конце системы связи можно было восстановить первоначальную функцию х(t) с наперед заданной точностью

а) uс

б)	t
	uШИМ

		t
в)	T	T
	uЧИМ
	tи	t
г)		tи
	uАИМ

tи	tи	t
	T	T
Рис.1.3. Типы импульсной модуляции: модулирующая функция (а), широтно-
импульсная (б), частотно-импульсная (в), амплитудноимпульсная (г).