Последние годы характеризуются серьезными достижениями в области аналоговых вычислительных машин. Увеличение технических возможностей аналоговых устройств и повышение их быстродействия и точности выполнения математических операций позволили существенно расширить круг задач, эффективно решаемых аналоговыми средствами.
В книге обобщен накопленный в США опыт создания и применения средств аналоговой и аналого-цифровой техники. Значительная часть книги посвящена вопросам теории аналоговых устройств и методике их применения при решении задач различных классов. Авторы приводят большое количество впервые публикуемых конкретных данных, характеризующих конструкцию, технические показатели и схемы современных американских АВМ и их узлов.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, связанных с разработкой и использованием аналоговой и аналого-цифровой техники, а также аспирантов и студентов старших курсов вузов соответствующего профиля.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ
В конце сороковых — начале пятидесятых годов электронные диалоговые устройства являлись основными техническими средствами позволявшими получать машинные решения достаточно сложных научно-технических задач, связанных с анализом и синтезом систем автоматического управления, созданием новых типов летательных аппаратов, а также с решением некоторых классов задач математической физики. В дальнейшем как аналоговая так и цифровая ветви вычислительной техники некоторое время развивались более или менее независимо. Быстрый рост технических показателей и повышение надежности в этот период достигались главным образом в результате использования новых схемных решений, внедрения новых электронных приборов, элементов и деталей, новых технологических приемов и методов, а также новых принципов конструирования аппаратуры.
В качественном же отношении оба класса машин по существу не менялись. И в цифровой и в аналоговой технике протекал период технического освоения «классических» принципов организации автоматического вычислительного процесса, которые были сформулированы на начальном этапе развития вычислительной техники и реализованы в первых образцах цифровых и аналоговых машин.
При этом развитие цифровой техники происходило более широким фронтом, более энергично: сюда направлялись основные материальные средства, здесь были сконцентрированы основные силы математиков, специалистов по электронике, технологов, конструкторов. В результате цифровые устройства сейчас прочно занимают главенствующее положение в стремительно развивающемся мире вычислительной техники.
Наряду с этим в последние годы наблюдается новое заметное повышение интереса к аналоговой технике. Началом этого этапа можно считать создание и ввод в эксплуатацию восемь — десять лет назад первых комбинированных аналого-цифровых вычислительных систем. Одной из причин, определивших этот новый интерес, явились значительные успехи, которых удалось добиться в аналоговой технике как в совершенствовании технических характеристик традиционных аналоговых блоков и устройств, так и в достигнутом расширении класса задач, эффективно решаемых средствами современной аналоговой и ана-логово-цифровой вычислительной техники.
Быстродействие новых АВМ при решении на них систем обыкновенных дифференциальных уравнений доходит сейчас до нескольких тысяч полных решений в секунду. Основная погреш-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора русского издания ....... ........ 5
Из предисловия автора .................. ..... 9
I. Принципы вычислений на электронных аналоговых машинах
Глава 1. Основные сведения об электронных аналоговых вычислительных машинах...................... И
Аналоговые вычислительные машины................. И
" 1.1. Введение .................... И
Электронная аналоговая вычислительная машина......... , 12
1.2. Введение.....................12
1.3. Машинные переменные и функциональные блоки..... 13
1.4. Зависимость переменных от времени. Интегрирование .... 16
1.5. Решение дифференциальных уравнений: классический метод использования дифференциального анализатора...... 17
1.6. Принцип действия «медленного» дифференциального анализатора ...................... 20
1.7. «Быстродействующие» электронные АВМ (электронные АВМ
с периодизацией решения).............. 21
1.8. Обзор возможностей решения на АВМ задач, которые нельзя свести к обыкновенным дифференциальным уравнениям ... 21
Принцип действия основных функциональных блоков АВМ..... 22
1.9. Потенциометры установки коэффициентов........ 22
1.10. Операционные усилители: фазоинвертор .......... 22
1.11. Схемы суммирования и суммирующие усилители...... 25
1.12. Интегрирование ...................... 26
1.13. Умножение и воспроизведение нелинейных функций .... 32 Реализация более общих зависимостей с помощью пассивных схем
и операционных усилителей ..................... 35
1.14. Реализация операторов высших порядков с помощью пассивных схем и операционных усилителей ......... 35
1.15. Практические рекомендации ................ 42
1.16. Схемы дифференцирования................. 45
Аналоговые вычислительные машины................ 46
1.17. Аналоговая вычислительная машина ........... 46
1.18. Точность и скорость вычислений.............. 47
1.19. Функциональные блоки АВМ как элементы систем измерения, управления и обработки информации.......... 47
Гл а в а 2. Методика решения задачи на АВМ........... 55
Введение •........................... 55
2.1. Предварительные замечания............. 55
Выбор масштаба зависимой переменной. Примеры......... 55
2.2. Масштабирование зависимой переменной: выбор масштабных
коэффициентов .................. 55
. \
2.3. Выбор масштаба зависимой переменной: машинные уравнения
и структурные схемы............. 58
2.4. Примеры масштабирования математических соотношений.
Обозначения на структурных схемах..........58
Изменение масштаба времени....................66
2.5. Масштабирование времени..............66
2.6. Выбор масштаба времени .
. .г ------ „г-...-.................. 68
Обыкновенные дифференциальные уравнения............ 69
2.7. Решение дифференциальных уравнений........ 69
2.8. Проверка схемы набора задачи и способы изменения масштаба 73
, - —^---- —~-—vui ил.и^11\-иг|л iviaLLuiaua
2.9. Демпфированный гармонический осциллятор. Определение масштабных коэффициентов.............75
2.10. Дифференциальные уравнения Матье и Лежандра.....76
2.11. Решение нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Две типичные задачи, рассматриваемые в теории колебаний........................ 80
Линейные системы. Простейшие операторы передачи и импульсные
характеристики .................... 86
'2.12. Введение......................... 86
2.13. Методика применения дифференциальных анализаторов ... 88
2.14. Масштабирование и введение начальных условий при моделировании операторных соотношений ............92
2.15. Представление сложных линейных операторов в виде элементарных дробей и разложения на множители......95
2.16. Импульсная переходная характеристика. Применение метода весовой функции для определения реакции системы на ступенчатый и линейно нарастающий сигналы, а также ее частотной характеристики................... 95
Основные правила масштабирования и составления структурных
схем.........................98
Вопросы, заслуживающие специального внимания..........98
2.17. Правила подготовки задачи к решению на АВМ......98
2.18. Вопросы, требующие особого внимания ..........100
II. Основные функциональные блоки аналоговых вычислительных машин
Глава 3. Точность аналоговых машин. Элементы пассивных цепей, потенциометры установки постоянных коэффициентов и операционные усилители............... ЮЗ
Точность вычислений и другие характеристики АВМ........ ЮЗ
3.1. Проблема точности в аналоговых машинах........ ЮЗ
•3.2. Точность функциональных блоков: статическая и динамическая погрешности................. 105
3.3. Другие характеристики............... 109
Потенциометры установки постоянных коэффициентов....... 109
3.4. Характеристики и конструкция............ 10У
3.5. Влияние нагрузки и установка потенциометров...... ||^
3.6. Динамические погрешности и емкостная коррекция..... И'
Операционные резисторы и конденсаторы. Влияние паразитных им-
педансов...........................' 191
3.7. Операционные резисторы.............• |~i
3.8. Операционные конденсаторы; стабильность......• '^
3.9. Утечки в конденсаторе и явление абсорбции в диэлектри-
„„ . !А>
ке.....................'129
Операционный усилитель с параллельной обратной связью . . • • •
3.10. Введение......................... i^a
3.11. Характеристики реального операционного усилителя ... .131
3.12. Определение погрешности .................132
3.13. Влияние внутреннего сопротивления усилителя и нагрузки 133
3.14. Операционные усилители с двухполюсными операционными импедансами. Нагрузка на источник входного сигнала . . . 133
3.15. Влияние шумов и смещения нуля ОУПТ......... 135
3.16. Влияние изменения коэффициента усиления и нелинейных искажений........................136
3.17. Выводы ...-.,.....................136
Инверторы, суммирующие .усилители и интеграторы.......137
3.18. Введение.........................137
3.19. Инверторы . и суммирующие усилители..........137
3.20. Электронные интеграторы; влияние конечности коэффициента усиления, нагрузки и паразитных импедансов на частотную характеристику интегратора........ • •.......142
3.21. Электронные интеграторы; погрешности, определяемые калибровкой, смещением нуля и шумами...........145
Погрешности решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Рекомендации по проектированию систем,............................147
3.22. Введение.........................147
3.23. Определение погрешности первого порядка.........148
3.24. Погрешности при воспроизведении гармонических сигналов. Кольцевой тест и проектирование системы.........151
'лава 4. Ламповые усилители постоянного тока.........160
Введение и обзор . . . .......................160
4.1. Требования и технические характеристики....... . 160
4.2. Порядок расчета усилителя............... 163
Ламповые усилительные каскады постоянного тока........164
4.3. Выбор рабочего режима лампы............... 164
4.4. Линеаризация ламповых характеристик. Эквивалентные схемы 166
4.5. Использование типовых табличных данных для расчета усилителей с резистивными связями.............. 168
4.6. Дифференциальные усилительные каскады......... 169
Выходные каскады............*........... 171
4.7. Расчет выходного каскада................. 171
4.8. Выходные каскады каскодного типа.............175
4.9. Регенеративные усилительные каскады постоянного тока . . . 177 Дрейф, шумы, автоматическая стабилизация нуля.........179'
4.10. Влияние дрейфа и шумов.................. 179
4.11. Причины дрейфа в усилителях постоянного тока.....181
4.12. Схемы с малым дрейфом...............182
4.13. Усилители постоянного тока с улучшенными характеристиками. Схемы автоматической стабилизации . ........184
4.14. МДМ-усилитель..................189
4.15. Частотные характеристики и устойчивость усилителей с обратной связью.......................195
4.16. Эквивалентные схемы в области высоких частот. Динамическое увеличение входной емкости (эффект Миллера) .... 200
4.17. Изменение частотной характеристики с помощью стабилизи^ рующих фильтров..................• . . . 203
4.18. Внешние стабилизирующие фильтры ............210
4.19. Широкополосные усилители постоянного тока с параллельными каналами усиления.............f . 213
4.20. Частотная характеристика усилительных каскадов постоянного тока, охваченных положительной и отрицательной обратной связью.......................217
4.21. Методика измерения частотных характеристик.......219
Типовые примеры ламповых решающих усилителей.........220
4.22. Технические характеристики усилителя......... 220
4.23. Примеры конкретных усилителей..............223
Глава 5. Транзисторные усилители постоянного тока и некоторые
практические рекомендации................232
Введение . ........................... 232
5.1. Сравнение транзисторных и ламповых усилителей постоянного тока (УПТ) .........................232
Простейшие транвисторные однокаскадные усилители постоянного тока 233
5.2. Схема с общим эмиттером..............233
5.3. Эмиттерные повторители, схемы неизменного тока, выходные каскады......................236
Транзисторные дифференциальные усилительные каскады. Проектирование схем с малым дрейфом................ . . 238
5.4. Характеристики в области низких частот........238
5.5. Рабочие режимы и дрейф по напряжению........241
5.6. Некоторые схемные усовершенствования ......... 242
5.7. Токовый дрейф и его компенсация...........246
Транзисторные усилители с МДМ-системой. Полупроводниковые модуляторы.............................249
5.8. Общие замечания. С*хемы транзисторных модуляторов . . . 249
5.9. Импульсные помехи коммутации. Схема двойного модулятора 251
5.10. Другие типы электронных модуляторов...........253
Проектирование усилителей.............,........254
5.11. Частотные характеристики, помехи и общие рекомендации по проектированию...................... 254
5.12. Типовые характеристики усилителей. Примеры схем. Настройка нулевого уровня по току и напряжению..........261
Некоторые практические рекомендации............... 264
5.13. Конструкция усилителей постоянного тока. Выбор деталей . . 264
5.14. Земляные цепи усилителей постоянного тока.......266
5.15. Дифференциальные усилители и повторители с единичным коэффициентом передачи..................267
Глава 6. Ограничители, ключевые схемы и электронные нелинейные
функциональные преобразователи ............. 272
Введение.......................272
6.1. Нелинейные функциональные преобразователи и ключевые схемы......................272
Ограничители и селекторы.....................273
6.2. Характеристики и эквивалентные схемы диодов......273
6.3. Основные схемы диодных ограничителей.........спя.
6.4. Анализ диодных схем в области низких частот......278
6.5. Характеристики диодных схем в области высоких частот . . 281
6.6. Диодные мостовые ограничители............285
6.7. Другие схемы ограничения............• • 287
Аналоговые переключательные схемы................^*~
6.ft Аналоговые ключи и компараторы...........~*~
6.9. Операционные реле.................~™
6.10. Диодные ключи.......................~*2
6.11. Транзисторные ключи .,,....•,,-,.,,•..••• **'
Электронные нелинейные функциональные преобразователи.....Зр5
6.12. Введение.........................'"О
6.13. Диодные функциональные преобразователи.........309
6.14. Функциональные преобразователи с варисторами......316
6.15. Электронно-лучевые функциональные преобразователи . . . 318 Функциональные преобразователи двух и более переменных .... 320
6.16. Введение. Схемы интерполяции...............320
6.17. Диодные функциональные преобразователи.........323
6.18. Функциональные преобразователи, управляемые компараторами .........................325
6.19. Электронно-лучевые функциональные преобразователи . . . 327
Глава 7. Электронные множительные и делительные устройства . . • 334
Введение ............................334
7.1 Обзор......................334
7.2. Перемножение положительных и отрицательных величин . . 335
7.3. Умножение при помощи устройств с управляемым коэффициентом передачи. Схемы с модуляцией.........337
Управление коэффициентом передачи множительного устройства с помощью обратной связи......................339
7.4. Основная схема с обратной связью...........339
7.5. Трудности, возникающие при проектировании множительных устройств....................341
7.6. Примеры выполнения множительных устройств с обратной связью .....................341
7.7. Множительные устройства с AM и ЧМ и другие множительные устройства с обратной связью и двойной модуляцией . . 349
7.8. Схемы с разделением сигналов по времени и частоте .... 352 Время-импульсные множительные устройства............353
7.9. Принцип действия.................353
7.10. Время-импульсные множительные устройства с внешним возбуждением .......................354
7.11. Время-импульсные множительные устройства с самовозбуждением ..........................357
7.12. Электронные ключевые схемы ...............361
7.13. Статическая и динамическая погрешности в множительных устройствах с выходными сглаживающими фильтрами. Проектирование сглаживающих фильтров..........368
Множительные устройства на квадраторах и устройства с использованием напряжений треугольной формы......."........371
7.14. Множительные устройства на квадраторах.........371
7.15. Схемы квадраторов, выполненные на диодах........371
7.16. Множительные устройства с использованием напряжений треугольной формы ....................378
Другие схемы электронных множительных устройств........386
7.17. Логарифмические множительные устройства ........386
7.18. Электронно-лучевые множительные устройства.......386
7.19. Формирование произведения как функции двух переменных ........, , , ,...........389
Электронные множительные устройства: проектирование и методы проверки, выполнение деления ...................389
7.20. Регулировка и проверка множительного устройства.....389
7.21. Сравнительные характеристики, стоимость и надежность различных множительных устройств..............392
7.22. Груботочные множительные устройства......... 394
7.23. Выполнение, операции деления...............396
Глава 8. Следящие системы аналоговых вычислительных машин. Вычислители, работающие с векторными величинами . . . 404 Следящие системы аналоговых вычислительных машин......404
8.1. Введение. Технические характеристики и методы их экспериментальной проверки................404
8.2. Анализ работы следящей системы при малых входных сигналах; стабилизация следящей системы..........409
8.3. Электродвигатели, усилители и редукторы........415
8.4. Требования к следящей системе............420
Потенциометры для работы с сервоприводом............423
8.5. Характеристики потенциометров............423
8.6. Функциональные потенциометры............427
' 8.7. Погрешности, вызываемые нагрузкой потенциометра .... 427
8.8. Функциональные преобразователи на секционированных потенциометрах...............'.....430
Построение и разложение векторных величин. Тригонометрические вычислители со следящими системами................435
8.9. Построение и разложение векторных величин.......435
8.10. Тригонометрические вычислители со следящей системой, использующие синус-косинусные потенциометры........437
8.11. Тригонометрические вычислители индукционного типа (с вращающимися трансформаторами). Модуляция и демодуляция ..........................439
8.12. Переключение квадрантов и вычислители со следящими системами по скорости....................441
8.13. Инверсные тригонометрические вычислители. Автоматическая регулировка усиления ................... 443
Электронные тригонометрические вычислители..........445
8.14. Введение. Совместное использование функциональных преобразователей и множительных устройств..........445
8.15. Применение схем выборки и компараторов.......,. .446
8.16. Схемы, выполняющие вычисления по методу неявных функций 451
Цена: 300руб.
