Аналоговые устройства

Важность работы Н. Н. Павловского заключается не только в том, что он изобрел и успешно применил новое средство вычислительной техники, так называемые АВМ — аналоговые вычислительные машины, он впервые с полным теоретическим обоснованием создал метод исследования при помощи аналого-математического моделирования.

В настоящее время наибольшее применение получили электронные вычислительные машины, делящиеся на аналоговые вычислительные машины (АВМ), цифровые вычислительные машины (ЦВМ) и гибридные вычислительные машины (ЦАВМ).

§ 1.1. Аналоговые вычислительные машины

Электронные вычислительные машины обычно классифицируют по форме представления обрабатываемой информации, под которой понимаются программа решаемой задачи, исходные данные, промежуточные и окончательные результаты. По указанному критерию делят ЭВМ на три группы: аналоговые вычислительные машины (АВМ), цифровые вычислительные машины (ЦВМ) и комбинированные аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ),

Назначение АВМ, источники погрешностей решающих элементов. АВМ используются для решения математических задач, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями (линейными, нелинейными, с постоянными и переменными коэффициентами). Дифференциальные уравнениия этого вида — наиболее распространенное средство математического описания разнообразных неустановившихся, переходных процессов, имеющих зачастую главное значение при оценке исследуемого объекта. Поэтому АВМ получили развитие как специализированные устройства для исследования и анализа поведения объектов в указанных режимах. Аналоговые вычислительные машины можно использовать также и в тех случаях, когда математическим описанием исследуемых объектов являются другие виды уравнений .(в частных производных,- интегральные, алгебраические, трансцендентные и т. д.), но решение задачи при определенных допущениях может быть сведено к интегрированию обыкновенных дифференциальных уравнений.

Области применения ЭВМ. Каждый класс вычислительных машин имеет свои области применения. Так, аналоговые вычислительные машины в основном целесообразно использовать для расчета и исследования электромагнитных, тепловых и механических переходных процессов, описываемых линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями с постоянными и переменными коэффициентами. К таким процессам можно отнести динамику включения и отключения электромагнитов, явления, связанные с ударами и колебаниями в механизме аппарата (вибрации контактных систем, якорей электромагнитов и т. п.), неустановившиеся процессы режимов короткого замыкания в контактах и ду-гогасительных устройствах аппаратов защиты и управления, теп-

Аналоговые вычислительные машины могут быть использованы также для решения систем алгебраических уравнений, определения экстремумов нелинейных функций нескольких аргументов [2], для решения некоторых дифференциальных уравнений в частных производных. Однако применение этого класса машин ограничено относительно невысокой точностью (по сравнению с ЦВМ), неприспособленностью большинства АВМ для проведения итерационных вычислений. Основной областью применения АВМ является поэтому моделирование, расчет и исследование неустановившихся динамических процессов в элементах электрических аппаратов. Простота программирования, наглядность решения и высокая надежность работы — важнейшие преимущества АВМ при расчете и исследовании динамики работы аппаратов.

§ 1.1. Аналоговые вычислительные машины...... 5.

На 4.1 представлен график, характеризующий рост сложности радиоэлектронной аппаратуры*. Относительные единицы сложности означают следующее: / — самостоятельные компоненты и системы; 2 — индивидуальные приборы и связные системы, главным образом аналоговые; '6 — сложные автономные подсистемы (небольшие цифровые и аналоговые вычислительные машины); 4 — комплексные системы (централизованные вычислительные машины); 5 — общегосударственные системы (авто-матизирова-ные системы управления и контроля с использованием вычислительных машин); 6 — глобальные системы

Заметим, что ив методе переменных состояния необходимо определять корни характеристического уравнения путем вычисления собственных значений матрицы Аг. Вычисление собственных значений матриц также является трудоемкой процедурой и для сложных цепей должно быть выполнено при помощи ЭВМ. Но даже современные ЭВМ не позволяют решать эту задачу для весьма сложных цепей, когда п больше нескольких сотен. Однако важным является то обстоятельство, что относительно переменных состояния можно -сформировать систему дифференциальных уравнений первого порядка и для численного решения такой системы непосредственно использовать стандартное математическое обеспечение цифровых вычислительных машин и аналоговые вычислительные машины.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) состоят из электронных усилителей и преобразователей (иногда — следящих систем), диодов, наборного поля, где собирается схема блока управления, показывающих приборов и электронного осциллографа.

Цифровые вычислительные системы оперируют с величинами, представленными в цифровой форме, т. е. с числами. Вычислительная система, объединяющая в своем составе как цифровые, так и аналоговые устройства, носит название гибридной. Очевидно, что цифровые и аналоговые устройства соединяются внутри гибридной системы через аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Практически аналоговые устройства снабжены набором сопротивлений, градуированных в единицах аэродинамического сопротивления. Расчетчик распределяет их в схеме аналога исходя из заданных значений аэродинамических сопротивлений в схеме электрической машины. Следует понимать при этом, что на самом деле электрические сопротивления аналога являются переменными величинами, линейно зависящими от тока, как это и следует из приведенных выше пояснений (Ды = /?/= = /?'//).

В современных приемоиндикаторах все операции поиска, слежения и измерения полностью автоматизированы. Различают аналоговые и цифровые приемоинди-каторы. Аналоговые устройства основаны на применении электромеханических следящих систем. Они обладают большими инерционностью, массой и габаритами. Наиболее перспективными являются цифровые приемо-индикаторы. Применение микросхем позволяет уменьшить массу, габариты и потребляемую мощность. В цифровых системах используют близкие к оптимальным методы обработки сигналов, что повышает точность работы и помехоустойчивость.

ровую форму и обработки в цифровой форме. Подобным же аналого-цифровым способом (как это было показано ранее, в §31) можно, располагая ЦАП — умножителем и рядом дополнительных узлов, выполнять операции деления, возведения в степень, извлечения корня. Следует иметь в виду, что аналого-цифровые устройства для выполнения математических операций над сигналами могут иметь существенно иные структурные схемы, чем аналоговые устройства. Например, возведение" в квадрат в аналоговом виде выполняется с помощью стандартного перемножителя двух напряжений путем объединения его входов (см. 77, г). Эта же операция над цифровым сигналом может быть осуществлена с помощью ЦАПг и ЦАП2 ( 121, а), включенных таким образом, что выходное напряжение t/BUxi ЦАПг используется в качестве опорного напряжения для ЦАПг, вследствие чего на выходе ЦАП2 действует напряжение ?/выз.2 — k Wv (I) ]2, где k = const — коэффициент. На выходах каждого из ЦАП установлены сглаживающие фильтры нижних частот ФНЧ.

Измерение корреляционных функций и спектров мощности может быть выполнено с помощью аналоговых и цифровых устройств. При этом аналоговые устройства обычно применяются для не очень точного анализа сравнительно высокочастотных случайных сигналов со спектром, главная часть которого сосредоточена на сотнях килогерц и выше. Если необходима высокая точность, то случайные сигналы анализируются в цифровом виде с помощью микроЭВМ.

В зависимости от конкретной области применения аналоговые устройства подразделяются на измерительные, телевизионные, радиоприемные, телефонные, радиовещательные и др. Дополнительными признаками для классификации являются диапазон рабочих частот и потребляемая мощность. В зависимости от массы и объема аналоговые устройства подразделяются на носимые, бортовые и стационарные. В зависимости от используемой элементной базы аналоговые устройства подразделяются на электровакуумные, транзисторные и интегральные. Наиболее перспективными являются интегральные аналоговые устройства, обладающие высокой надежностью, малой массой, объемом, экономичностью и другими. Классификация аналоговых интегральных микросхем, соответствующая ГОСТ 17021 — 75, приведена в табл. 18.1.

В гл. 18 рассматривались аналоговые устройства, в которых сигналы представляли собой непрерывные функции времени. Однако наряду с ними широко распространены импульсные

Глава 18. АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ...................................................... 420

Электронные устройства предназначены для получения, усиления, преобразования и измерения параметров электрического сигнала, а также для запоминания информации об электрическом сигнале. Подход к анализу электронных устройств, используемый в этой главе, ориентирован в основном на такие аналоговые устройства, как усилители (операционные, постоянного и переменного токов), стабилизаторы напряжения, генераторы и др. Как видно из приведенных названий, основное назначение электронных устройств— преобразование входного сигнала в выходной электрический сигнал с параметрами, которые требуются для нормального функционирования конкретного потребителя информации. Так как потребителями информации являются самые различные устройства, основные'пара-метры выходных сигналов также оказываются разными. Например, основным параметром измерительного стрелочного прибора является ток, электронно-лучевой трубки с электростатическим отклонением— напряжение исполнительных устройств, технологического оборудования—выходная мощность. Общим для большинства электронных устройств является то, что практически всегда мощность выходного сигнала превышает мощность входного. Дополнительную энергию электронные устройства получают от специальных источников энергии, которые в электронике называют источниками вторичного электропитания электронных устройств (см. гл. 14). Например, для питания транзисторного усилителя таким источником служил источник напряжения ?к (см. 5.25). На основе этого электронные устройства можно рассматривать как некоторые преобразователи энергии источников питания в энергию выходных электрических сигналов.

Параметры ИОУ можно варьировать при помощи обратных связей, построив на их основе усилители с заданными значениями коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, времени нарастания фронта выходного импульса и т. д. Так как ИОУ обладают высоким коэффициентом усиления, соответствующим подбором глубины обратной связи можно реализовать аналоговые устройства с параметрами, варьируемыми в широком диапазоне.

Следует отметить, что для уменьшения объема запоминающих устройств и увеличения быстродействия перед входом АИ весьма часто используются относительно простые (иногда и аналоговые) устройства обработки входных данных [Л. 14-7, 14-19].