Вступ

Одна з істотних тенденцій розвитку обчислювальних засобів, вимірювальної техніки, а також техніки формування імпульсних послідовностей і кодових сигналів полягає в тому, що опрацювання інформації виконується в реальному масштабі часу. При цьому можна виокремити ті засоби, в яких використовується число-імпульсний код (ЧІК) – число-імпульсні функціональні перетворювачі (ЧІФП). До таких засобів, зокрема, належать перетворювачі
часового інтервалу, частоти і фази в код, перетворювачі напруги і струму в код з проміжним перетворенням неперервної величини в послідовність імпульсів, деякі перетворювачі лінійних і кутових переміщень, пристрої для обробки вихідних сигналів дозиметричних детекторів, синтезатори частоти, пристрої формування сигналів заданої форми, генератори псевдовипадкових імпульсних послідовностей. Отже, за призначенням ЧІФП можна поділити на дві групи: перетворювачі, що вбудовані у вимірювальний тракт і здійснюють опрацювання інформації в процесі її надходження; перетворювачі, що виконують функції формування імпульсних і кодових послідовностей.
Перетворення ЧІК може здійснюватись різними засобами, основними з яких є: табличні та таблично-алгоритмічні [1–3], на основі цифрових інтеграторів (ЦІ) [4–78] та інших апаратних засобів (окрім табличних і таблично-алгоритмічних) опрацювання імпульсних послідовностей [79–89], програмні з використанням мікропроцесорів і мікроконтролерів. До ЧІФП, як правило,
зараховують другу з вищеперелічених груп.
Конкурентна спроможність ЧІФП, порівняно з табличними і таблично-алгоритмічними пристроями, полягає у тому, що їх структури простіші за кількістю використовуваних елементарних логічних комірок (вентилів), для забезпечення перетворення в широкому діапазоні значень ЧІК [2, 10]. Окрім того, у багатьох випадках ЧІФП мають вищу швидкодію. Так, наприклад, у синтезаторах частоти, побудованих з використанням методу прямого цифрового синтезу, цифровий акумулятор, який за своєю суттю є цифровим інтегратором з паралельним переносом, за відповідної внутрішньої побудови забезпечує опрацювання багаторозрядних двійкових керуючих кодів при частоті тактового генератора, що визначається затримкою кількох логічних елементів [90].
Основною перевагою ЧІФП порівняно з програмними засобами, як і більшості апаратних засобів над програмними, є вища швидкодія. Окрім того, ЧІФП мають певні переваги під час роботи з даними, що надходять з багатьох каналів [91].
Що стосується технологічного забезпечення ЧІФП, їх конкурентна спроможність забезпечується можливістю реалізувати їхні структури на програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС) [92, 93].
Розвиток ЧІФП, стосовно покращення їхніх характеристик, відбувається в напрямах: розширення функціональних можливостей, підвищення точності та швидкодії, розширення динамічного діапазону ЧІК. Удосконалення методів і засобів реалізації ЧІФП забезпечується: пошуком нових алгоритмів, що лежать в основі їх функціонування; створенням нових базових структурних елементів [8]; поєднанням структур ЧІФП із структурами запам’ятовуючих пристроїв [2, 10]; розробленням конвеєрних і реверсивних структур [9].
Поліпшенню характеристик ЧІФП істотно сприяла поява ЧІФП з імпульсними зворотними зв’язками (ІЗЗ) [8, 11, 18, 19, 94]. Основою створення ЧІФП з ІЗЗ є модифікована система рівнянь Шеннона, що дає змогу відтворити будь-яку негіпертрансцендентну функцію за допомогою скінченної кількості інтеграторів і суматорів, за рахунок введення до її складу операції ділення [6, 8]. Однак реалізація багатьох функціональних залежностей на основі ЧІФП з ІЗЗ супроводжується виникненням низки проблем, що пов’язані передусім із суперечливістю між їх основними характеристиками – спроба покращити одну з них під час проектування ЧІФП, як правило, призводить до зміни (часто погіршення) інших. Наприклад, в ЧІФП, в яких використовується додатний імпульсний зворотний зв’язок (ДЗЗ), підвищення точності досягається за рахунок зменшення швидкодії, а введення в ЧІФП від’ємного імпульсного зворотного зв’язку (ВЗЗ) дає змогу досягти більшої швидкодії порівняно з пристроями із ДЗЗ, зі звуженням динамічного діапазону [10].
Суперечності такого характеру вирішують, створюючи досконаліші структури. При цьому, оскільки існують різні шляхи розв’язання цих задач, виникає необхідність комплексної оцінки метрологічних характеристик перетворювачів на новому рівні.
Перед розробниками ЧІФП, як і інших складових вимірювальних чи іншого призначення пристроїв, постає завдання створення перетворювачів, характеристики яких дали б змогу отримати пристрій із заданими параметрами. У зв’язку з цим ЧІФП не можна розглядати окремо від технічного середовища (наприклад, вимірювального каналу), в якому він міститься.
Функціональне перетворення ЧІК може здійснюватись різними засобами із залученням різних технологій їх реалізації. З огляду на це необхідно оцінювати не тільки їхні метрологічні характеристики, але й складність побудови (технологічну доцільність реалізації), яка так само визначає конкурентну спроможність того чи іншого типу ЧІФП.
Дослідження похибок перетворення ЧІФП може здійснюватись двома методами: аналітичним та за допомогою імітаційного моделювання. Імітаційне моделювання ефективно використовується для динамічних режимів роботи пристроїв, за яких у процесі перетворення відбувається зміна керуючих кодів інтеграторів. Однак для статичних режимів їх роботи цей метод прийнятний
тільки за невеликої кількості розрядів [8, 95]. У зв’язку з цим розроблено аналітичні методи знаходження поточних і екстремальних похибок перетворення [8, 10, 11, 95–122], які, проте, не є універсальними, оскільки не розв’язують усього різноманіття задач, які виникають.
Окремою проблемою побудови ЧІФП є створення універсальних перетворювачів, які б могли працювати в різних системах числення, передусім у двійковій і двійково-десятковій, і оперативно переходити від реалізації однієї функції на іншу. В напрямі створення таких пристроїв, які можна зарахувати до число-імпульсних процесорів, зроблено лише перші кроки.
Наукові дослідження, описані в цій монографії, спрямовані на вирішення низки вищезазначених проблем і певне узагальнення знань стосовно ЧІФП, насамперед ЧІФП з ІЗЗ.