Основные аналоговые функциональные элементы и узлы электронной аппаратуры

Конечная задача, решаемая информационно-измерительной электронной аппаратурой, — преобразование сигналов путем выполнения с ними заданных операций, в результате которых сигналы принимают форму, наиболее удобную для дальнейшей обработки. При этом часть операций целесообразно осуществлять в исходной, аналоговой форме, не нарушая их непрерывности. Однако значительную часть операций при существующем уровне развития электроники и вычислительной техники лучше выполнять в цифровой форме.

Если известен входной сигнал и задан желаемый выходной, то могут быть определены как временные, так и частотные характеристики аппаратуры: амплитудно-фазовая характеристика, переходная функция или импульсная реакция. По определенным частотным или временным характеристикам можно осуществить синтез аппаратуры, обладающей заданными свойствами. Однако имеется целый ряд ограничений и определенных правил, которые надо соблюдать при задании формы желаемого выходного сигнала, так как в противном случае аппаратура не всегда может быть физически реализована. В частности, невозможно создать аналоговое устройство, сигнал на выходе которого появляется ранее входного сигнала, — в любом реальном устройстве выходной сигнал всегда запаздывает относительно входного (для цифровой аппаратуры, с предварительной записью сигнала, это условие теряет смысл, что значительно упрощает многие операции обработки сигналов).

Задача синтеза неоднозначна, поскольку в общем случае аналоговая аппаратура может быть выполнена как линейная, нелинейная или параметрическая. И даже если бы для синтеза использовались только линейные элементы, то все равно решение было бы существенно неоднозначным: всегда имеется достаточно много путей технической реализации устройства с заданными свойствами.

Наиболее простой метод синтеза — линейная каскадная реализация. Этот метод основан на представлении амплитудно-фазовой характеристики (определенной по заданному входному и выходному сигналам) в виде отдельных сомножителей:

Каждый сомножитель представляет собой амплитудно-фазовую характеристику отдельного стандартного функционального узла: усилителя, фильтра, интегратора, задерживающего устройства и т. д.

Например, пусть в результате расчета определена желательная амплитудно-фазовая характеристика устройства в виде:

Знаменатель дроби может быть разложен на множители.

Это позволяет представить амплитудно-фазовую характеристику в виде сомножителей, например

Первые два сомножителя можно представить как коэффициенты усиления двух инвертирующих усилителей А1 и А2 (знак минус обусловлен инверсией фазы на 180°); третий сомножитель — коэффициент передачи дифференцирующей цепи; четвертый — коэффициент передачи интегрирующей цепи. Устройство, реализующее заданную характеристику, имеет функциональную схему, приведенную на рис. 3.1, а.

Для этой схемы Л = RiC; В = R2C2, где Д1, R2, С1, С2, соответственно, сопротивления и емкости резисторов R и конденсаторов С рассматриваемой схемы, а А1 и А2 — одинаковые инвертирующие усилители с коэффициентами усиления, равными 10.

Данная схема не единственно возможная — можно предложить еще несколько схем, отличающихся не только начертанием и порядком включения отдельных функциональных узлов, но и их конкретным выполнением, как это сделано в схеме, приводимой на рис. 3.1, б, где вместо конденсаторов использованы катушки индуктивности, а усилители имеют коэффициенты усиления 20 и 5. Как легко убедиться,.

Рис. 3.1. Структурные схемы радиоэлектронных устройств, имеющих идентичные амплитудно-фазовые характеристики.

проведя расчет, эта и предыдущая схемы имеют идентичные амплитудно-фазовые характеристики, однако первая схема предпочтительнее, поскольку в ней для формирования заданной частотной зависимости применены конденсаторы, в общем случае значительно более дешевые, чем катушки индуктивности.

Какая из возможных схем реализации заданной характеристики является в каждом конкретном случае наилучшей? На этот вопрос объективно можно ответить лишь на основании учета множества дополнительных требований, обусловленных технологией производства, стоимостью, надежностью, экономичностью, удобством эксплуатации, возможностью ремонта, условиями работы, допустимыми габаритами и т. д.

В оптимальном учете основных и дополнительных факторов и состоит искусство инженера-конструктора, позволяющее ему выбрать наилучшую схему устройства.

Таким образом, для технической реализации практически любой электронной системы необходимо иметь набор стандартных функциональных узлов и элементов и знать их спектральные (или временные) характеристики.

Число типовых функциональных узлов и элементов сравнительно невелико, поскольку невелико и общее число основных операций, совершаемых над непрерывными и дискретными сигналами в электронных системах широкого применения.

К числу основных операций относятся: усиление интенсивности сигналов; генерирование напряжений заданной формы (спектра); преобразование формы (спектра) сигналов; дискретизация аналоговых (непрерывных) сигналов и преобразование их в цифровую форму (цифровой код); трансформация (перенос) спектров сигналов (модуляция и детектирование); изменение длительности (масштаба времени) сигналов; фильтрация — частотное или временное выделение или подавление отдельных составляющих аналоговых или цифровых сигналов; корреляционная (автои взаимнокорреляционная) обработка сигналов; математические преобразования в аналоговой или цифровой форме (сложение и вычитание, умножение и деление, возведение в степень и извлечение корней, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование); логические преобразования цифровых сигналов (логическое сложение и умножение и их различные комбинации); измерение параметров сигналов (амплитудного и фазового спектров, частоты повторения, времени запаздывания, длительности существования и т. д.); преобразование цифровых сигналов в аналоговые; запоминание аналоговых и цифровых сигналов на заданное время и воспроизведение их; отображение сигналов — преобразование в форму, удобную для восприятия человеком; передача сигналов в пространстве (электро-и радиосвязь).

Многие из указанных операций могут быть выполнены как в аналоговой, гак и в цифровой форме. При этом, если необходима обработка и измерение параметров относительно простых сигналов, достаточно большой интенсивности при малом уровне шумов и помех в реальном масштабе времени (без предварительной записи, с минимальным запаздыванием) и допустима погрешность в единицы процентов, то конструкторы пока еще отдают предпочтение аналоговой аппаратуре — как более простой и дешевой. Однако, если задача хоть немного усложняется, например необходимостью проводить статистическую обработку сигналов, то применятся гибридная, аналого-цифровая аппаратура, часть операций в которой выполняется в цифровом, часть — в аналоговом виде. В тех же случаях, когда речь идет об очень сложной и высокоточной обработке одновременно множества сигналов, то это делается с помощью цифровой аппаратуры, в которую непременно встраиваются микропроцессоры и специализированные ЭВМ.