Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
???????????? ????????

Национальный университет "Львовская политехника"

Лагун Андрей Эдуардович

ДК 621.317 + 681.325

Автоматизированные структурного синтеза ЧИСЛО-импульсной функциональный преобразователь

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Львов - 2001

Актуальность темы

Работа выполнена в Национальном университете "Львовская политехника"

Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель - | Доктор технических наук, профессор,

Заслуженный изобретатель Украины

Дудикевич Валерий Богданович

заведующий кафедрой "Автоматика и телемеханика"

Национального университета "Львовская политехника"

Официальные оппоненты - | Доктор технических наук, профессор

Мельник Анатолий Алексеевич

заведующий кафедрой "Электронные вычислительные машины" Национального университета "Львовская политехника"

Доктор технических наук, старший научный сотрудник

Воробель Роман Антонович

Физико-механический институт им. В. Карпенко НАН Украины,. Львов, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация | Государственный научно-исследовательский институт информационной инфраструктуры НАН Украины и Государственного комитета связи и информатизации Украины (г.. Львов), отдел информационных технологий и систем

Защита состоится "30" ноября 2001 в "16" ч.

на заседании диссертационного совета Д 35.052.08

в Национальном университете "Львовская политехника"

в ауд. 226 главного корпуса

(79013, Львов - 13, ул. С. Бандеры, 12)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Национального университета "Львовская политехника"

(79013, Львов - 13, ул. Профессорская, 1)

Автореферат разослан "26" октября 2001

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор техночных наук Луцик Я.Т.

сновные характеристика работы

Актуальность проблемы. Вопросы разработки число-импульсных функциональных преобразователей кодов (ЧИФП) относится к теории цифровых вычислительных структур, систем сбора и обработки информации. В настоящее время Актуаль-ной тенденция совмещения операций измерительного преобразования с предыдущей функциональной обработкой информации, что позволяет уменьшить объем передаваемой информации, и обрабатывать информацию от источников различной физической природы.

На этапе структурного синтеза ЧИФП осуществляется формирование структуры ЧИФП по заданной входной функцией, необходимыми метрологическими характеристиками и оптимизация полученной структуры.

Вопросы разработки методик структурного синтеза ЧИФП и цифровых интегрирующих структур (ЦИС) не являются новыми. Согласно известной методики структурного синтеза, касается ЦИС на базе интегрирующих процессоров, синтез последних осуществляется на основе системы порождающих дифференциальных уравнений Шеннона с использованием арифметических операций суммирования, вычитания, умножения. Недостатками этой методики является отсутствие среди упомянутых арифметических операций операции деления, что приводит к значительному усложнению структур функциональных преобразователей. Недостатком является также то, что эта методика не учитывает многовариантности процесса синтеза ЦИС. Другая известная методика, которая касается структурного синтеза ЧИФП на основе модифицированной системы дифференциальных уравнений Шеннона, допускает наличие в системе порождающих дифференциальных уравнений, кроме упомянутых, операции деления. Это позволяет значительно улучшить метрологические характеристики функциональных преобразователей, синтезированных на основе такой методики. Для реализации модифицированной системы дифференциальных уравнений Шеннона было предложено использовать число-импульсные делители (ЧИД), а для других операций число-импульсные умножители (ЧИП), схемы суммирования и вычитания импульсных последовательностей, счетчики.

Методика структурного синтезаЧИФП на основе модифицированной системы уравнений Шеннона не является автоматизированной. Кроме того, введение в набора базовых узлов делителей привело к формированию новых проблем в структурном синтезе ЧИФП. В частности осложнилось согласования динамических диапазонов, в которых работают базовые узлы синтезированной структуры ЧИФП. Не менее важной и трудоемкой для решения проблема достоверного прогнозирования будущих метрологических характеристик ЧИФП, что синтезируется. Ведь делитель и ЧИФП на их основе, которые являются цифровыми структурами с импульсными обратными связями, характерная цифровая модуляция импульсного потока, что значительно усложняет получение аналитических выражений для описания таких структур. Поэтому теория аналитического описания ЦИС и ЧИФП, которую применяют сегодня, является несовершенной, и приходится применять имитационное моделирование для уточнения метрологических характеристик синтезированных структур. Кроме того, есть еще ряд специфических особенностей функционирования некоторых видов ЧИФП.

силу всех этих причин реальный процесс синтеза ЧИФП является очень трудоемким и только в малой степени содержит упомянутые методики структурного синтеза в неизменном виде. Большая часть этого процесса сткладае определенное число циклов моделирования и корректировки синтезированной структуры ЧИФП с целью обеспечения удовлетворительных метрологических характеристик. Фактически, в настоящее время, несмотря на наличие упомянутых методик, синтез структуры ЧИФП для воспроизведения заданной функции превращается в отдельную научную задачу, при решении которой применяют как существующие методики синтеза, так и много дополнительных формальных и неформализованных методов.

Именно поэтому актуальным является анализ и систематизация этих методов, разработка алгоритмов структурного синтеза ЧИФП, которые учитывают весь опыт, накопленный разработчиками структур ЧИФП, и большинство методов, которые используются для совершенствования синтезированных ЧИФП. Не менее важной и актуальной является задача автоматизации таких алгоритмов. Именно решению рассматриваемых задач структурного синтеза посвящено эту работу.

Св Связь работы с научными программами, планами, темами. Основное содержание диссертационной работы составляют результаты теоретических и практических разработок, проведенных автором при выполнении работ согласно госбюджетной теме & ldquo; Методы анализа, синтеза, математического и физического моделирования преобразователей информации для измерительных приборов и систем & rdquo ;, номер государственной регистрации 0100U000482 за 2000 г .; конкурсной работы Миннауки и образования Украины "Разработка широкодиапазонного промышленного расходомера газа", проект 6.1.001614 за 2000

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является создание новой методики автоматизированного структурного синтеза ЧИФП, которая позволит упростить процесс разработки структур ЧИФП.

Поставленная в работе цель достигается решением следующих задач:

анализ существующих базовых функциональных элементов, которые эффективно могут использоваться в автоматизированном структурном синтезе ЧИФП;

создание универсальных базовых функциональных элементов, реализующих некоторые простейшие функции для использования в автоматизированном структурном синтезе ЧИФП;

разработка алгоритмов для автоматизированного структурного синтеза ЧИФП и автоматизированного имитационного моделирования;

исследования синтезированных структур ЧИФП.

Об Объектом исследования является процесс воспроизводства функциональных зависимостей по дискретным приростами цифровыми средствами, который характеризуется значительной степенью неопределенности из-за несовпадения параметров самого процесса и цифровых устройств, его моделируют.

Предметом исследования являются способы анализа и синтеза ЧИФП, направленные на повышение эффективности проектирования последних.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании основных положений математического анализа, методов структурного синтеза ЧИФП и ЦИС, теории бинарных деревьев и графов, теории погрешностей. Для подтверждения достоверности теоретических исследований использованы методы математико-имитациййного моделирования.

Научная новизна полученных результатов:

предложена новая концепция построения ЧИФП, суть которой заключается в одновременном применении как классических базовых узлов, которыми являются число-импульсные делители и умножители, так и новых функциональных узлов высшего иерархического уровня, воспроизводят некоторые элементарные математические функции;

разработаны структуры новых базовых узлов ЧИФП. Теоретически спрогнозировано и эмпирически уточнено оптимальные начальные условия работы новых базовых узлов ЧИФП, что позволило впервые достичь приемлемых значений динамического диапазона и точности этих узлов

предложены новые имитационные модели базовых узлов ЧИФП, применение которых позволяет достоверно вести расчет метрологических характеристик ЧИФП в автоматическом режиме, а также оптимизировать структуры ЧИФП по заданному критерию;

на основе предложенных концепции, новых структур базовых узлов ЧИФП и имитационных моделей этих узлов разработана новая методика автоматизированного структурного синтеза ЧИФП, которая в отличие от существующих методик, учитывает многовариантность при синтезе структуры ЧИФП, что позволяет упростить процесс автоматизированного проектирования структур ЧИФП. < / p>

Практическое значение полученных результатов:

использование разработанных ЧИФП элементарных функций дает возможность разрабатывать функциональные преобразователи с улучшенными метрологическими характеристиками;

применения разработанной методики автоматизированного структурного синтеза ЧИФП доводит до инженерного уровня сложную и в значительной степени неформализованную методику структурного синтеза ЧИФП и, следовательно, повышает эффективность проектирования структур ЧИФП.

Личный вклад. Основное содержание работы, все теоретические разработки, выводы и рекомендации выполнены и разработанные автором лично на основе исследований, проведенных на кафедре & ldquo; Автоматика и телемеханика & rdquo; Национального университета & ldquo; Львовская политехника & rdquo ;. В печатных трудах, Опубликованных в соавторстве, автору принадлежат алгоритмы автоматизированного структурного синтеза ЧИФП и алгоритмы имитационного моделирования структур ЧИФП, структуры число-импульсных воспроизводителей элементарных функций.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались на третий среднеевропейской научно-технической конференции & ldquo; Комп Компьютерные методы и системы в автоматике и электротехнике & rdquo; (Ченстохова, Польша, сентябрь 1999), международной научно-технической конференции & ldquo; Современные проблемы средств телекоммуникаций, комп ютерной инженерии и подготовки специалистов & rdquo; (TCSET 2000) (Львов-Славское, Украина, февраль 2000), седьмой международной научно-технической конференции по автоматическому управлению & ldquo; Автоматика 2000 & rdquo; (Львов, Украина, сентябрь 2000).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключительных выводов, списка использованных литературных источников (106 наименований), 12 приложений и содержит 220 страниц, из которых машинописного текста 138 страниц, 42 страницы с 103 рисунками, 28 страниц с 12 приложениями.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, среди которых 6 в научных изданиях.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, проведен анализ состояния проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Приведены данные об апробации работы и публикации.

В первом разделе указано, что математической основой структурного синтеза ЧИФП или цифровых аналогов является система дифференциальных уравнений Шеннона. Вообще говоря, эта система разрабатывалась для электромеханических структур, в которых принципиально отсутствовала операция деления.

В дальнейшем система дифференциальных уравнений Шеннона стала математической моделью для описания цифровых интегрирующих структур.

Процесс перехода к системе дифференциальных уравнений Шенноназаключается в последовательном выполнении операций дифференцирования, декомпозиции функций, введение обозначений (создание словаря) и композиции дифференциальных уравнений. Следующим шагом является расчет начальных значений для всех подынтегральных функций, потому что в начале структурного синтеза известны только начальные значения заданной функции.

Поскольку значения некоторых величин могут находиться в разных поддиапазонах, проводят операцию масштабирования, суть которой заключается в выборе масштабов этих величин. Систему дифференциальных уравнений Шеннона используют для создания масштабных соотношений, а словарь для оценки диапазонов переменных. Последним этапом структурного синтеза является коммутация н связей для ЦИС.

Рассмотрена методика автоматизированного структурного синтеза ЦИС позволяет создавать структуры ЦИС, что развязку связывают ряд математических задач, однако в ней отсутствует многовариантность, а также не используются базовые структурные элементы, которые выполняют операцию деления.

Отсутствие операции деления в ряде случаев структурного синтеза приводила к получению слишком сложных структур. Поэтому было предложено модифицированную систему дифференциальных уравнений Шеннона, которая содержит операцию деления

(1)

где k = 2, ..., n; y0 = 1; y1 = x; bijk = 0 или 1; cijk = 0 или 1. Это позволило сократить количество порождающих уравнений и за счет этого уменьшить погрешность преобразования.

арифметические операции суммирования, вычитания, умножения, деления в струк- турах ЧИФП, которые работают на основе модифицированной системы дифференциальных уравнений Шеннона, выполняют базовые число-импульсные структурные элементы (Чисэ), каковы число-импульсные умножители, делители, устройства суммирования и вычитания.

Проведенный анализ существующих число-импульсных умножителей позволяет утверждать, что лучшим структурным элементом для выполнения операции умножения в автоматизированном структурном синтезе является реверсивный число-импульсный умножитель (РЧИП) (рис. & Nbsp;) на базе цифрового интегратора за счет возможности работы с приростами разных знаков при удовлетворительной точности преобразования. Результирующая погрешность преобразования РЧИП находится в пределах ± 5 единицы младшего разряда в диапазоне изменения входных величин ± n (n разрядность умножителя).

Для выполнения операции деления в методике автоматизированного структурного синтеза ЧИФП целесообразно использовать реверсивные число-импульсные делители (РЧИД) (рис. & Nbsp;), которые, как и РЧИП, работают с приростами различных знаков. Недостатком РЧИД узкий рабочий диапазон изменения подынтегральной функции, составляет

2ny2n + 1 (2)

из-за чего при использовании РЧИД в автоматизированном структурном синтезе, в частности в имитационном моделировании структур ЧИФП с РЧИД, нужно согласовать динамические диапазоны всех переменных.

Применение число-импульсных делителей в структурном синтезе ЧИФП позволяет, в отличие от ЦИС, избежать промежуточной фиксации результата деления на подынтегральная функция и за счет этого сократить о объем оборудования. Также уменьшается инструментальная погрешность.

Необходимо отметить, что структуры ЧИФП, которые реализуют различные негипертрансцендентни функции, хотя и отличаются функциональными возможностями, однако их исследование требует больших затрат времени из-за отсутствия аналитических выражений для расчета метрологических характеристик. Кроме того, принципы работы базовых Чисэ, входящих в состав проанализированных структур, накладывают значительные ограничения на входящие и исходящие величины последних и не всегда позволяют получить структуру ЧИФП, которая имеет удовлетворительные метрологические характеристики.

Структурный синтез ЧИФП на базе модифицированной системы дифференциальных уравнений Шеннона (1) предполагает получение системы порождающих дифференциальных уравнений и построение структуры ЧИФП с последующей оптимизацией.

Синтез ЧИФП происходит по следующему алгоритму [2]:

разбиение заранее заданной функции на более простые, не подвергаются дальнейшему разбиению и спрощенню;

введения дополнительных переменных для обозначения элементов расписания;

дифференцировки каждой из простых функций до получения системы дифференциальных уравнений вида (1);

создание структуры ЧИФП с применением базовых узлов

оптимизация структуры ЧИФП за счет об единения счетчиков, функции которых совпадают.

Таким образом, для автоматизированного структурного синтеза ЧИФП целесообразно применить последний алгоритм, однако его использование, в частности для синтеза экспоненциальных, синусно-косинусные, показательных и степенных функциональных зависимостей не всегда приводит к получению приемлемого результата. Также большими проблемами при автоматизации структурного синтеза ЧИФП является многовариантность, что возникает на разных этапах, и согласования динамических диапазонов, в которых работают базовые структурные элементы.

Во втором разделе сформулирована проблематика автоматизированного структурного синтеза ЧИФП, намечены пути решения задач автоматизированного структурного синтеза ЧИФП и приведена его общая концепция.

В частности отмечено, что в настоящее время разработаны элементную базу, применение которой позволяет частично или полностью избавиться от некоторых недостатков цифровых аналогов, повысить их конкурентоспособность и расширить область применения. В свою очередь, элементная база и идея моделирующих процессоров выдвигают методике синтеза требование универсальности, которая гарантируется теоремой Шеннона, и пригодности к автоматизации.

Среди задач структурного синтеза ЧИФП одним из важнейших является задача разработки воспроизводителей элементарных функций. Поскольку методика структурного синтеза на основе системы Шеннона касается аналоговых величин и использует как базовые узлы сумматоры приростов и цифровые интеграторы прямых и обратных функций, то использование этой методики для синтеза цифровых устройств приводит к близости вычислений, из-за чего возникают ошибки которые могут стать недопустимыми [2, 3]. этоозначает, что создание автоматизированной методики синтеза ЧИФП в настоящее время невозможно при использовании как базовых узлов только сумматоров приростов и цифровых интеграторов прямых и обратных функций. Во избежание сложившейся ситуации можно предложить наряду с упомянутыми базовыми узлами использовать как базовые узлы откорректированы и оптимизированы воспроизводители некоторых элементарных функций, что позволит с большой степенью достоверности прогнозировать характеристики цифрового аналога проектируемого.

В направлении решения данной задачи разработана новая концепция, использование которой позволяет автоматизировано синтезировать структуру ЧИФП, реализующий функцию, пропорциональное заданной [7].

Основой предложенной концепции автоматизированного синтеза ЧИФП является теорема Шеннона о воссоздании непрерывных функций интеграторами и сумматорами, а также известные методики синтеза, на ней основываются. В отличие от упомянутых методик, особенностью предложенной концепции является расширенный набор базовых узлов, с помощью которых воспроизводятся функциональные зависимости. Набор таких узлов предлагается расширить за счет воспроизводителей функций синуса, косинуса, экспоненты и функции двух переменных вида xy, которые дальше по отношению к разработанной методики будем называть функциями базового уровня. Необходимость введения таких узлов к набору базовых связана с тем, что их характеристики (при условии синтеза структуры по известным методикам) являются неудовлетворительными. Только после соответствующих изменений и корректировки структур упомянутых преобразователей, они становятся пригодны для использования. Эти изменения не поддаются формализации и именно поэтому предлагается зафиксировать

Загрузка...

Страницы: 1 2 3