В книге изложены основы теории преобразования информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах. Приведены электрические схемы и методы расчета основных элементов преобразователей — операционных усилителей, компараторов, усилителей выборки и запоминания, ключевых элементов, коммутаторов постоянного тока, источников опорных напряжений, преобразователей напряжения в частоту.
Показаны направления использования преобразователей информации в аналого-цифровых вычислительных системах и устройствах и, в частности, в аналого-цифровых комплексах, содержащих аналоговую и цифровую вычислительные машины общего назначения, в устройствах вывода данных из цифровой машины на графические регистрирующие устройства, в аналого-цифровых вычислительных блоках.
Приведены краткие технические данные ряда устройств преобразования, выпускаемых серийно отечественной промышленностью.
Книга предназначена для специалистов, работающих в области вычислительной техники, а также может быть полезной для преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений. Табл. 5. Ил. 137. Список лит. 77 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Первые устройства преобразования информации для вычислительных машин появились в связи с развитием средств вычислительной техники и началом их использования в системах обработки информации, а также для решения задач математического моделирования в реальном времени.
В последние годы в этой области вычислительной техники были созданы аналого-цифровые преобразователи с использованием новых принципов, такие как комбинированные, с кодированием приращений и другие, которые имеют большую пропускную способность в сочетании с высокой точностью преобразования. Различные преобразователи информации и их отдельные части широко применяют в устройствах связи цифровых машин с аппаратурой аналогового типа: аналоговыми вычислительными машинами, графическими регистрирующими устройствами, измерительными датчиками. Отечественной промышленностью был освоен и в настоящее время серийно выпускается ряд устройств преобразования информации, получивших широкое применение.
Среди ранее опубликованных работ по преобразователям информации можно отметить книгу Э. И. Гитиса «Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств», изданную в 1961 г., в которой систематизированы данные и опыт применения, накопленные по преобразователям, созданным в 50-х годах. Значительное внимание в этой книге уделено вопросам, связанным с преобразованием угла поворота в цифровой код, и обратному преобразованию. Устройства преобразования электрических сигналов в цифровой код, а также цифро-аналоговые преобразователи, построенные на базе операционных усилителей постоянного тока, в этой книге освещены в сравнительно небольшом объеме.
В 1967 г. вышла книга под редакцией В. Б. Смолова «Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжения», посвященная данной тематике. Отдельные вопросы теории аналого-цифровых преобразователей рассматривались также в книгах А. К- Саскинда «Техника непрерывно-дискретных преобразований», Е. А. Дроздова и А. П. Пятибратова «Автоматическое преобразование и кодирование информации», А. И. Кон-далева «Преобразователи формы информации», К- А. Нетребенко 1* з
«Цифровые автоматические компенсаторы» и некоторых других.
Данная книга посвящена теории построения и методам проектирования электронных преобразователей информации, значительно отличающихся от описанных ранее.
Опыт построения устройств преобразования последних лет показал, что в ряде случаев целесообразно комбинирование нескольких методов в пределах одного процесса преобразования. Для создания аналого-цифровых преобразователей с большей пропускной способностью, обладающих высокой точностью, способных работать при наличии помех, особое значение приобретают методы, основанные на использовании структур с отрицательной обратной связью, в которых сигнал обратной связи вырабатывается с помощью вычислительного блока, реализующего некоторую оптимальную программу. Эти методы в настоящее время начинают только развиваться и имеют хорошую перспективу, так как при их использовании часть устройства .преобразования в связи с переходом на интегральные микросхемы может быть усложнена без существенного увеличения стоимости преобразователя.
В настоящей монографии новым методам преобразования электрических сигналов уделено наибольшее внимание.
Авторы данного труда, работающие в течение ряда лет в Московском научно-исследовательском институте счетного машиностроения («НИИСчетмаш») по исследованию, проектированию и внедрению в серийное производство различных электронных систем и устройств преобразования информации, в значительной степени отразили в своей книге опыт по созданию этих устройств.
При написании книги была использована терминология в области вычислительной техники, рекомендованная Комитетом научно-технической терминологии АН СССР.
Д-р техн. наук проф. В. Б. Ушаков
ВВЕДЕНИЕ
Преобразование электрических сигналов лежит в основе работы современных вычислительных машин и систем, которые в зависимости от формы представления машинных переменных делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые.
В аналоговой машине переменные, которые, как правило, являются непрерывными или кусочно-непрерывными функциями времени, представляются с помощью физических величин и чаще всего — величин электрических напряжений и токов, относительных интервалов времени, пространственных координат. Вычислительные блоки аналоговой машины осуществляют линейные и нелинейные преобразования машинных переменных путем моделирования операторов суммирования, интегрирования, перемножения, воспроизведения функций одной или нескольких переменных и т. п. Решение задачи на аналоговой машине сводится к построению модели задачи с помощью моделей отдельных операторов преобразования.
В цифровой машине переменные являются решетчатыми функциями дискретного аргумента и представляются в цифровом виде. При решении задачи исходная информация, а также данные, поступающие в машину в ходе решения, используются в вычислительном процессе, представляющем собой последовательность арифметических и логических операций над числами. Необходимая последовательность вычислений, обмен информацией между вычислительными, запоминающими и периферийными (вводными и выводными) устройствами организуются программой.
Основные достоинства аналоговых и цифровых машин известны: первые обладают исключительно высоким быстродействием, вторые обеспечивают практически неограниченную точность и высокую универсальность. '
Развитие аналоговых и цифровых машин на ранней стадии проходило изолированно. Однако в дальнейшем оказалось, что существуют классы задач, для решения которых совершенно необходимо совместное использование вычислительных машин и Устройств разных типов. К таким задачам относятся математическое моделирование сложных динамических систем и систем с частными производными, обработка результатов экспериментов
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................. 3
Введение.............................. 5
Глава 1. Вопросы теории преобразования информации в аналого-цифровых вычислительных системах ............... 10
1. Формы представления переменных и их преобразование....... 10
2. Характеристики источников и преобразователей информации ... 14
3. Оценка точности преобразования переменных......: . . . 19
Глава 2. Схемные элементы преобразователей и методы их расчета ... 26
1. Ключевые элементы........... .'.......... 26
2. Резисторы и делители напряжения.............. "~ 72
3. Операционный усилитель .............f...... 74
4. Компаратор ................•. . /...... 85
5. Источники опорных напряжений............... 94
Глава 3. Средства квантования по времени и распределения в пространстве
аналоговых сигналов.................... N 98
1. Усилители выборки...................'. . . 98
2. Коммутаторы аналоговых сигналов.............. 111
Глава 4. Цифро-аналоговые преобразования . ,........... 141
1. Общие вопросы структуры .................. 141
2. Схемы преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал постоянного тока..........,........... 144
3. Погрешности цифро-аналоговых преобразователей ....... 157
Глава 5. Аналого-цифровые преобразования............. 172
1. Методы преобразования напряжения в цифровой код и их сравнительная оценка...............'....,..... 172
2. Преобразование с непосредственным считыванием........ 179
3. Преобразование с использованием следящей системы...... 184
4. Метод с поразрядным кодированием.............. 208
5. Преобразование, основанное на принципе динамической компенсации и на промежуточном преобразовании напряжения .в частоту 232
6. Преобразователи, основанные на комбинировании нескольких ме-
' тодбв............................ 244
Глава 6. Применение преобразователей в аналого-цифровых моделирую-
: щих устройствах . . . ,'................... 266
1. Построение моделирующих устройств с использованием аналого-цифровых преобразователей следящего типа........... 266
359
2. Построение моделирующих устройств с использованием комбинирования переменных..................... 274.
3. Методы преобразования напряжения в частоту...........282
4. Построение моделирующих устройств с использованием частотных способов представления переменных ............. 301
Глава 7. Применение преобразователей в аналого-цифровых вычислительных системах ....................... 309
1. Преобразование сигналов в аналого-цифровых вычислительных системах............................ 309
2. Преобразования аналоговых сигналов в аналого-цифровых системах обработки информации . . ................... 333
3. Преобразование информации в графических устройствах вычислительных систем........................ 341
Заключение ............................ 354
Список литературы . . ....................... . 355
Цена: 150руб.
