Аналогового напряжения

15.9. Структурная схема автоматизированной системы регулировки с оптимизатором на основе аналоговой вычислительной машины

образцовому устройству; 2) экстремальные автоматизированные системы регулировки РЭА; 3) системы автоматизированной регулировки, настраивающие РЭА по выходным переменным; 4) автоматизированные системы регулировки, настраивающие РЭА по динамическим характеристикам. Безусловно, данная классификация не является исчерпывающей и может развиваться. Поиски экстремума при регулировке РЭА используют не-сколько методов организации движения системы к точке экстремума: Гаусса — Зайделя, градиента, наискорейшего спуска, Фиц-нера и статистический. Наиболее перспективные первые три [16]. Рассмотрим в заключение в качестве примера структурную схему автоматизированной системы регулировки, использующую метод градиента, реализуемый оптимизатором на основе аналоговой вычислительной машины (АВМ). Регулировка осуществляется по образцовому устройству ( 15.9). Регулируемый параметр — амплитудно-частотная характеристика. Напряжение на выходе двухтактного детектора Un представляет собой погрешность частотной характеристики регулируемого устройства во всем диапазоне. Оптимизатор на основе АВМ минимизирует эту функцию, управляя исполнительными устройствами (ИУ). Изменение параметров элементов регулировки осуществляется в сторону уменьшения функции {/д. После рабочего движения определяются частные производные и совершается новое рабочее движение, и так до достижения минимального значения ?/д, соответствующего совпадению параметров регулируемого и образцового устройства. Отметим, однако, что вопросы проектирования АСР представляют достаточно специфическую и сложную задачу и выходят за пределы данного учебника.

До появления линейных интегральных схем к классу операционных усилителей относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовали в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д. Однако для усилителей постоянного тока на дискретных транзисторах (а тем более на лампах) характерны многочисленные недостатки.

14. Ванин В. К., Павлов Г. М. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

5.12. Ванин В. К,., Павлов Г. М. Релейная защита на элементах аналоговой вычислительной техники. Л., 1983.

В гл. 3 было показано, что при выводе уравнений для систем, содержащих нелинейности, нельзя исключать переменные, связанные с нелинейными компонентами. Поэтому вопрос о целесообразности разбиения нелинейной системы на блоки невозможно решить однозначно в общем случае. Для каждой конкретной системы нужно выяснить, каким методом будут решаться уравнения системы и какие методы аппроксимации характеристик нелинейных компонент (можно применить. Например, если система исследуется при помощи метода гармонической линеаризации [Л. 20], то ее можно разбить на линейные и нелинейные блоки. Нелинейные блоки (их обычно немного) исследуют методом гармонической линеаризации и находят их полюсное представление в линейном приближении. Дальнейший анализ практически проводится так же, как для линейной системы. Во многих случаях нелинейный блок можно отдельно исследовать на аналоговой вычислительной машине и установить рациональный метод линеаризации и диапазон изменения переменных, в котором эта линеаризация оправдана.

Операционные усилители. +ик„(№8) До появления линейной ин- т» тегральной схемотехники к классу операционных усилителей (ОУ) относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и др. Успехи в области технологии обусловили появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем, что позволило значительно улучшить их технические и эксплуатационные показатели и расширить функциональную ориентацию. Поэтому в настоящее время под ОУ понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения разнообразных функций, в том числе перечисленных ранее.

3) усилители среднего быстродействия, которые используются в измерительных системах с коммутационными устройствами и в устройствах аналоговой вычислительной техники, работающих в реальном масштабе времени с временами решения от единиц до тысяч секунд;

После этого сотрудник исследовательской лаборатории Министерства обороны Канады Л. Робишо предпринял более углубленное изучение направленных графов и их приложений. Его интересные работы — непосредственное изучение цепей, алгебра четырехполюсников и многополюсников, прямое моделирование на электронной аналоговой вычислительной машине, алгебраическое упрощение направленных графов с помощью цифровых вычислительных машин —нашли отражение в данной книге.

В гл. 5 рассматривается задача моделирования физической системы на электронной аналоговой вычислительной машине. Если элементарные графы четырехпо-люсных подсхем выбраны так, что они соответствуют решающим блокам, то сам направленный граф может рассматриваться как схема набора модели. Поскольку направленный граф может быть получен из схемы замещения, можно говорить о непосредственном моделировании физической системы без предварительного составления уравнений исследуемой задачи.

Исследование решающих элементов аналоговой вычислительной машины, состоящих из усилителя и более или менее сложной внешней схемы, является чрезвычайно интересной областью приложения методов, изложенных в данной главе. Применительно к схеме, показанной на 4-14,а целесообразно выбрать графы тина а для подсхем NS, NS и для усилителя, образующих цепное соединение, и графы типа у для четырехполюсников N$ и N%, соединенных параллельно с остальной частью схемы. Суммарный и конечный графы этой схемы приведены соответственно на 4-14,6 и в. В представляющем наибольший интерес случае усилителя с весьма высоким коэффициентом усиления и бесконечным входным сопротивлением (e\ = i\=Q) элементы цепной матрицы усилителя равны нулю, и мы приходим к графу, показанному на 4-15. Этот цепной граф позволяет вычислить коэффициент усиления усилителя:

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит преобразование аналогового напряжения в число. Представленный АЦП переводит аналоговое напряжение UBx на входе в 8-разрядное двоичное число NBbix по формуле:

Измеряемые значения (t/_, U _, R, /_, /^) с помощью делителя напряжения / (при UВ1 > 2 В) и соответствующих преобразователей (2, 3, 4) трансформируются в нормированное постоянное аналоговое напряжение, передаваемое в аналого-цифровой преобразователь (5), осуществляющий основную функцию преобразования нормированного аналогового напряжения в цифровой код. При этом преобразование нормированного напряжения во временной интервал осуществляется методом двухтактного интегрирования, сущность которого состоит в том, что в течение фиксированного интервала времени tt, значение которого зависит от времени генерации в приборе 1000 стандартных импульсов, происходит интегрирование (первый такт интегрирования) входного напряжения, заключающееся в разряде интегрирующей емкости, предварительно заряженной до определенного напряжения током,

разрешающая способность, определяемая разрядностью и максимальным диапазоном входного (аналогового) напряжения (полной шкалой);

Аналого-цифровые преобразователи. Назначение АЦП — преобразование аналогового напряжения в его цифровой эквивалент. Как правило, АЦП имеют более сложную схему, чем ЦАП, причем ЦАП

Рассмотрим АЦП, построенный на принципе последовательных поразрядных приближений. На 8.4 приведена функциональная схема микросхемы АЦП К1113ПВ1, использующего данный принцип преобразования. В преобразователе предусмотрен 10-разрядный регистр, в котором последовательно разряд за разрядом (начиная со старшего разряда) формируется двоичное число, соответствующее цифровой форме представления поданного на вход (вывод 13) микросхемы аналогового напряжения. Процесс формирования этого числа состоит в следующем.

На 3.19 приведена схема ключа на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП), позволяющая существенно уменьшить влияние изменения входного аналогового напряжения на величину прямого сопротивления замкнутого ключа [40, 70]. Непосредственно ключ содержит два параллельно включенных транзистора Г, и Тг с индуцированными каналами различных типов проводимости (один с р-, а другой с n-каналом). МОП-транзистор с n-каналом в основном аналогичен МОП-транзистору с р-каналом, если полярности всех напряжений изменить на противоположные. Управление ключом осуществляется с помощью инвертора, выполненного на КМОП-тран-зисторах Т3 и Тц. Инвертор потребляет мощность только в процессе переключения из одного статического состояния в другое. В статических состояниях один и;: транзисторов заперт.

Измеряемые значения (t/_, CL, R, /_, /_) с помощью делителя напряжения / (при [/„« > 2 В) и соответствующих преобразователей {2, 3, 4) трансформируются в нормированное постоянное аналоговое напряжение, передаваемое в аналого-цифровой преобразователь (5), осуществляющий основную функцию преобразования нормированного аналогового напряжения в цифровой код. При этом преобразование нормированного напряжения во временной интервал, осуществляется методом двухтактного интегрирования, сущность которого состоит в том, что в течение фиксированного интервала времени d, значение которого зависит от времени генерации в приборе 1000 стандартных импульсов, происходит интегрирование (первый такт интегрирования) входного напряжения, заключающееся в разряде интегрирующей емкости, предварительно заряженной до определенного напряжения током, пропорциональным входному напряжению ( П.З). Второй такт интегрирования заключается в зарядке указанной емкости эталонным током. При этом скорость заряда постоянна и интервал времени 1г, в течение которого емкость заряжается до первоначального значения напряжения, пропорционален его входному значению. Интервал времени заполняется счетными импульсами. Индикаторным устройством 6 (см. П.2) производится подекадный пересчет этих импульсов с последующей индикацией результата в десятичном коде на цифровом отсчетном устройстве. Питание всех блоков прибора осуществляется от встроенного в прибор стабилизированного источника напряжения (позиция 7, П. 2).

Аналого-цифровые преобразователи. Назначение АЦП — преобразование аналогового напряжения в его цифровой эквивалент. Как правило, АЦП имеют более сложную схему, чем ЦАП, причем ЦАП

ходом. Они работают очень хорошо, по некоторым параметрам опережая КМОП-ключи. В частности, ключи на ПТ с /7-л-переходом фирмы PMI имеют совершенно неизменное Лвкл, не зависящее от аналогового напряжения, полное отсутствие эффекта защелкивания и мало подвержены электростатическому пробою.

При выборе АЦП следует учитывать ряд факторов: а) точность, б) быстродействие, в) точность установки (требуется ли подстройка, гарантируется ли монотонность), г) необходимые питающие напряжения (некоторые работают только от + 5 В) и мощность рассеивания, д) небольшой корпус, е) источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов (внутренний или внешний? Если внешний опорный источник, то подойдет ли + 5 В? Если внутренний, то доступен ли он снаружи, например для логометриче-ских измерений? Хорошо ли это? Можно ли его нагрузить?), ж) входной импеданс и диапазон аналогового напряжения (одно-полярный, двухполярный или и то, и другое?), з) входная схема (дифференциальный? Внутренний мультиплексор или вы-

Если соотношение напряжений UK > U'x, то с устройства сравнения поступает сигнал C/q, на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал t/x. Если С/х < U'x, то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал С/КОд положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается отсчетным устройством. На 4.13 показан процесс кодирования аналогового напряжения 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет таким: 01100011.