Г. Функциональные узлы микроэлектронных устройств, выполняющих рассматриваемые преобразования. Генераторы базисных функций. Генераторы псевдослучайных чисел. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП, ЦАП). Приборы с зарядовой связью (ПЗС), области их применения.

При написании этого раздела учитывалось следующее. В устройствах, используемых для выполнения преобразований Фурье и других ортогональных преобразований, а также и в цифровых фильтрах во многих случаях применяются специализированные функциональные узлы. В качестве примера укажем некоторые из них.

Разработано специализированное устройство быстрого умножения для БПФ-процессоров [18]. Применение специального схемного умножителя позволило по данным авторов работы [338] уменьшить в 4 раза время выполнения БПФ. Разработано также устройство умножения с использованием чисел Ферма [317]. Имеются сведения о создании специализированного устройства для выполнения при БПФ операции "бабочка" [469]; это устройство построено так, что может использоваться как при БПФ с прореживанием по времени, так и с прореживанием по частоте. Является эффективным применение сочетания умножителей и накапливающих сумматоров. В работе [368] онисаны интегральные устройства этого вида, которые позволяют при БПФ свести в ряде случаев, как указано в этой работе, время выполнения операций умножения и сложения до величины, меньшей 100 не (напомним, что ; при применении таких устройств операция "бабочка" производится за 4 машинных такта. Введением специализированных узлов существенно повышается эффективность микроЭВМ, предназначенных для ортогональных преобразований. Так, по данным работы [352] при выполнении БПФ на микроЭВМ время; которое занимает БПФ, уменьшается в 5—10 раз применением дополнительного узла быстрого умножения и еще больше сокращается при введении в состав узла умножения дополнительного сумматора; эффективность работы такой микроЭВМ еще больше увеличивается при применении дополнительных регистров для запоминания промежуточных результатов при выполнении операции "бабочка". Разработаны оптимальные (по времени и по используемому объему памяти) цепи со СБИС для перемножения матриц [414, 415]. Разработаны также индексное устройство [52] и однокристальное устройство адресации для процессоров, выполняющих БПФ длинных последовательностей [416]. Создан специальный двумерный цифровой фильтр для слежения за изображением [114]. Специальные устройства предназначаются для реализации спектрального метода синтеза -значных программируемых матриц [156]. При таком синетзе, вполняемом на основе преобразований Виленкина — Крестенсона, используется опыт создания БИС -значной логики [208, 209, 262,360,387,431].

Для того чтобы привести более подробные сведения обо всех этих и других специализированных устройствах такого же назначения, нужно было бы предварительно обратиться к литературе по микропроцессорам и к работам по архитектуре цифровых систем (первые из этих вопросов освещены в книгах [100, 114], вторые — в статье [11]). Такое изложение материала не предусмотрено планом данной книги. Ограничимся далее тем лишь, что рассмотрим вопросы построения специализированных устройств, указанные в заглавии этого раздела. Они имеют большое значение идя рассматриваемой области приложений.

Генераторы базисных функций. Устройства, формирующие базисные функции, являются обязательными для процессоров, выполняющих ортогональные преобразования по соответствующему базису. Сначала обратимся к генераторам значений тригонометрических функций, затем рассмотрим некоторые из схем построения генераторов функций Уолша.

Применяется два вида генераторов значений тригонометрических функций (весовых коэффициентов): такие, у которых набор весовых

коэффициентов хранится в ПЗУ, из которого они выбираются в требуемой последовательности адресным устройством фурье-процессора; активные генераторы, у которых весовые коэффициенты получаются при функциональных преобразованиях кода аргумента (адреса). Ниже приводятся краткие сведения о тех и других генераторах значений тригонометрических функций [14].

Прежде всего формируется адрес обращения к ПЗУ или код аргумента, если имеется в виду активный генератор. С выполнением этой процедуры совмещается формирование знаков синуса и косинуса. Затем получается значение тригонометрической функции.

Соответственно с этим основными частями генератора тригонометрических функций являются: адресное устройство и формирователь знаков тригонометрических функций; формирователь значений тригонометрических функций.

Первой из этих частей выполняются указываемые ниже действия. Аппаратурно реализуются функции Здесь к изменяется от до где целое положительное число; постоянный коэффициент, с введением которого в рассмотрение представляются в виде целых чисел. Достаточно выяснить, как получается так как получается смещением на полпериода. Используется следующее представление функции,

Величиной определяются абсолютное значение и знак рассматриваемой функции, так как есть величина постоянная. Абсолютное значение данной функции за четверть периода изменяется от до В связи с этим из выделяются целые четверти периода с остатком где знаком обозначено то, что находится целая часть числа. Код аргумента функции, для которого принято обозначение определяется при этом следующим образом: если то если же то причем Надлежит найти комплексных величин коэффициентов Фурье при Для имеем

где является двоичным изображением чисел, меньших чем двоичным изображением чисел, кратных периоду Значением А, которое представляется в виде

полностью определяется величина

Пояснения к этому выводу приведены в источнике [14], где также указано следующее: "... если определяет абсолютное значение функции, то в двоичном регистре, состоящем из разрядов, разряда опреде-" ляют абсолютное значение функции, а разряды являются знаковыми. В зависимости от их состояния присваиваются определенные знаки функциям Аппаратурное определение знаков синуса и косинуса можно реализовать после составления таблицы истинности учитывающей состояния знаковых разрядов регистра формирования кода аргумента и цикличность изменения знаков синуса и косинуса". Не приводя здесь этой таблицы, укажем лишь формулы, с учетом которых она строится:

и

В приведенных здесь формулах алгебры логики знаки конъюнкции и дизъюнкции, а знаком обозначена функция отрицания так же, как это было сделано в книге автора [99]. Возвращаясь к приведенным ранее выражениям можно заключить, что определяет условия формирования кода аргумента синуса. Кодом аргумента синуса является код Для формирования же текущего значения когда аргумента косинуса используется код, дополнительный к коду

Для рис. на котором приведена схема аппаратурной реализации формирователя кодов аргументов и знаков тригонометрических функций, приняты следующие обозначения: 1 — -разрядный накапливающий сумматор, на вход которого поступает число, равное номеру гармоники передача сигнала сигнал к дискретного отсчета, по которому число суммируется с предшествующим числом, накопленным сумматором; 4 и 5 — преобразователи сигналов, которыми накопленные сумматором числа преобразуются в числа снимаемые соответственно с выхода бис выхода 7; 8 — блок знака, на выходе 9 которого получается знак функции и на выходе 10 — знак функции

Таким образом производится формирование кодов аргумента и знаков тригонометрических функций. Второй частью генератора значений тригонометрических функций является, как это было оговорено ранее, формирователь значений тригонометрических функций. Следуя здесь также приведенному в источнике [14] описанию этого устройства, сначала рассмотрим выполнение его в виде цифрового кусочно-линейного аппроксиматора, построение которого основано на нижеследующем.

Используется найденный код аргумента и на основе его формируется абсолютное значение синуса или косинуса при приближенной замене функцией

где код аргумента, для которого получается данная функция: начальное ее значение, принимаемое далее равным нулю; приращение при значении аргумента. Последняя величина

(кликните для просмотра скана)

представляется в вице

с условием, что в интервале изменения аргумента и меняется лишь при пороговом значении числа квантов аппроксимации, когда осуществляется переход от одного интервала изменения к другому. С учетом сказанного и

Здесь есть номер порогового числа квантов аппроксимации, для которого

Указанные значения аппаратурно получаются при применении накапливающего сумматора. Схема цифрового кусочно-линейного аппроксиматора представлена на рис. Здесь 1 — накапливающий сумматор; 2 - управляемый регистр приращения; 3 — дешифратор порогового аргумента; 4 — счетчик импульсов; 5 — генератор опорной частоты; 6 — схема выполнения логической функции И. Взаимодействие этих узлов в процессе работы кусочно-линейного аппроксиматора следующее. Перед началом формирования значения функции для значения аргумента регистр сумматора 1 и счетчик 4 устанавливаются в нулевое состояние, в регистре приращения 2 задается начальное значение приращения в дешифратор 3 вводится число При передаче генератором 5 через схему 6 импульсных сигналов в сумматоре 1 последовательно складываются приращения Когда счетчиком 4 отсчитывается количество импульсов, равное соответствующему пороговому значению аргумента, дешифратор 3 выдает импульсный сигнал, уменьшающий на единицу предшествующее приращение функции Сумматор 1 производит суммирование до того, что счетчиком 4 фиксируется число импульсов, равное При этом дешифратор 3 прерывает прохождение импульсов опорной частоты через схему

Описанный формирюватель значений тригонометрических функций может использоваться только лишь в фурье-процессорах, от которых не требуется высокого быстродействия: при параметрах кусочно-линейного аппроксиматора, указанных в источнике [14], максимальное значение синуса или косинуса получается при поступлении 244 тактовых импульсов, что занимает при частоте следования тактовых импульсов время 0,244 мс. В том же источнике дано описание более сложного, но вместе с тем более быстродействующего функционального преобразователя — матричного. Производя кусочно-линейную аппроксимацию, он обеспечивает формирювание значений синуса или косинуса за один такт, какой бы ни была заданная последовательность поступающих на его вход значений аргумента. Схема построения этого функционального преобразователя представлена на рис. 6.5,в, для которого приняты следующие обозначения: 1 — сумматор (С); 2 — формирюватель кода аргумента; 3 — дешифратор номера порога; блоки памяти; 7 — блок умножения формирюватель разности. При подаче значения на вход формирователя 2 получаемые в процессе его работы сигналы последовательно передаются на выходы других блоков устройства.

Производится это следующим образом. Получаемый на выходе формирователя 2 код аргумента передается на один из входов блока 8 и на вход дешифратора 3. С его выхода снимается сигнал о ближайшем меньшем номере порога те и отвечающие ему числа получаются на выходах блоков памяти. Стадии работы преобразователя в [14] описаны так: "Пусть - значение функции, пороговое значение кода аргумента и те приращение функции в промежутке между и порогами. Число поступившее на второй вход формирователя разности, вычитается в этом блоке из числа и разность поступает на один из входов блока умножения БУ. На второй его вход подается число и эти числа перемножаются. Их произведение при помощи сумматора С складывается с числом в результате чего формируется значение функции для кодового значения аргумента За этим описанием следует замечание: "Если формирователь разности, блок умножения и сумматор выполнить на потенциальных сумматорах, то можно безымпульсным методом легко получить значения те

Для решения поставленной задачи формирования значения синуса или косинуса необходимо решить вопрос о безымпульсном определении номера порогового значения кода аргумента, являющегося ближайшим меньшим значением к текущему значению аргумента Если то на выходе дешифратора номера порогового значения должна быть информация, соответствующая если то и т.п. Для удовлетворения этих требований необходимо использовать логическую схему, которая выделяла бы ближайшие меньшие пороговые значения аргумента при текущем значении кода Определение нужной схемы основано на использовании правил булевой логики при минимизации логических функций с помощью диаграммы Вейча — Карно (эта процедура и полученная в результате ее выполнения схема построения формирователя номера порогового значения аргумента указаны в названном выше источнике, используемые при этом правила булевой алгебры и диаграммы Вейча — Карно описаны в книге автора [99]).

Выше были приведены сведения лишь об одном тине цифровых генераторов тригонометрических функций, Разработаны также и генераторы этих функций других типов. В книге [221] рассмотрены три цифровых метода получения синусоид: с использованием таблицы запомненных значений синусоид; путем рекурсивных вычислений; путем сочетания обращений к таблице и вычислений. Одним из описанных здесь устройств является устройство, в которое входят: синхронизатор, -разрядный регистр, -разрядный накопитель; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ; дешифратор адреса ПЗУ, соединенный с накопителем двумя каналами передачи дополнительного кода. В каждом из 64 хранящихся в памяти -разрядных слов по 11 разрядов отведено под отсчеты, следующие с грубым шагом. Второй из каналов передачи дополнительного кода используется для отсчетов с мелким шагом. Кроме указанных элементов устройство содержит матричный умножитель и четыре -разрядных регистра. Для получения на выходе нужных значений синуса и косинуса при каждом из задаваемых значений частоты выполняются два умножения -разрядного числа на -разрядные и два сложения -разрядных чисел.

Это устройство, как и ранее описанные, является конструктивно сложным и требует затраты относительно большого времени для выполнения нужных действий. Кроме указанных выше, разработаны также и другие генераторы тригонометрических функций, рассмотренные в работах, на которые есть ссылки в соответствующем разделе § 5.

Намного проще цифровых генераторов тригонометрических функций генераторы функций Уолша, оперирующие на всех этапах их работы с двоичными сигналами. На рис. 6-5,г приведены две схемы генераторов функций Уолша, о которых коротко говорится ниже. Более подробно первая из них описана в книге [88], вторая — в книге [67]. При работе того и другого устройства первичным является формирование функций Радемахера с помощью цепочки последовательно включенных триггеров при подаче на вход ее тактовых прямоугольных импульсов. Формирование функций Радемахера, первоначально смещенных относительно нулевой линии, иллюстрируется графиками в верхней части рис. 6.5,д, где для ординат смещенной функции принято обозначение и. Согласно рис. 6.5,г элементами устройства являются: триггеры элементы умножения 5 (используется, как показано на рисунке, при рассматриваемой схеме 11 таких элементов); с 6 по 20— выходные каналы устройства; 21 — канал передачи тактовых импульсов; 22 — канал передачи сигнала установки на нуль. Когда работает этот генератор функций Уолша, по указанным выходным каналам подаются сигналы, начина с в первых двух из них и кончая сигналами в последних трех каналах. При схеме построения генератора функций Уолша, изображенного на рис. 6.5,д, элементами устройства являются: 1 — формирователь последовательности входных тактов импульсов; 2 и 3 — триггеры; с 4 по 7 — сумматоры по модулю 2 с инверсными выходами; 8 — коммутатор на операционном усилителе, используемый для получения несмещенных функций Уолша, которые могут принимать значения (всего в схеме 7 таких элементов); подаваемое на инверсные входы усилителей смещающее напряжение, выбираемое из интервала (если передается с выхода сумматора напряжение то на выходе коммутатора получается напряжение в противном случае — напряжение чему соответственно отвечают сигналы .

Предложено много различных схем формирования функций Уолша. Некоторые из посвященных этому вопросу публикаций будут указаны в § 5 при обзоре литературы. Благодаря тому, что получение функций Уолша намного проще, чем достаточно точное формирование указанными ранее способами тригонометрических функций, все большее внимание привлекает к себе аппроксимация синусоидальных колебаний функциями Уолша, о которой говорилось в гл. IV.

Генераторы псевдослучайных сигналов. В предшествующих главах книги было показано, что во многих случаях при применениях рассматриваемых преобразований возникает необходимость использования случайных сигналов. Они используются при идентификации объектов управления, синтезе речевых сигналов, некоторых видах обработки изображений, моделировании шумовых характеристик выполняющих преобразования микропроцессоров и ЭВМ. Применяются специальные устройства, воспроизводящие искусственным образом

характеристики, близкие к характеристикам естественных случайных процессов. В этом смысле говорят о генерировании псевдослучайных сигналов.

Разработаны различные методы построения таких устройств. Один из них, примененный в качестве источника возбуждения глухих звуков при синтезе речевых сигналов, так описан в книге [221]: "... используется -разрядная последовательность максимальной длины на сдвиговом регистре. В данном алгоритме очередной двоичный случайный разряд образуется сложением по модулю 2 всех 16 предыдущих разрядов, после чего все разряды сдвигаются на один. При этом разряд, образованный 16 тактов назад, теряется, а новый вводится в сдвиговый регистр. Формула образования нового разряда имеет вид

где х равно или 1, причем единице физически соответствует положительный возбуждающий импульс, а нулю — отрицательный. Таким образом, выходная последовательность является случайной последовательностью положительных и отрицательных импульсов с гладким спектром".

В указанной книге, в книге [291] и в других источниках, которые будут названы при обзоре литературы в § 5, описаны также и другие методы генерирования псевдослучайных чисел, в том числе и выполняемые не только специализированными устройствами, но и программным способом на ЭВМ (о программном выполнении преобразований см. далее раздел Ж). Ниже рассматриваются три таких метода генерации равномерно распределенных псевдослучайных чисел [221]. Один из них основан на том, что текущее значение генерируемых чисел получается из предшествующего как где достаточно большое простое число и А — постоянная величина, задаваемая соответствующим образом. На рис. 6,6,а и 6.6, б приведены схемы выполнения операций при реализации двух других из указанных выше методов генерирования псевдослучайных чисел.

Устройство, схематично показанное на первом из этих рисунков, работает при использовании предварительно запомненных случайных чисел для диапазона от —1/2 до 1/2, которые взяты из таблицы случайных чисел. Формируется последовательность чисел, текущее значение которых получается как Это означает, что при результате сложения, большем чем 1/2, из него вычитается единица, а при результате сложения, меньшем чем —1/2, к нему единица добавляется. Тем самым обеспечивается то, что все генерируемые значения находятся в пределах от —1/2 до 1/2. Для рис. 6.6,а приняты следующие обозначения: — элементы задержки, каждый из которых производит задержку на один такт, блок формирования сигнала в зависимости от по следующим правилам:

На рис. 6.6,б представлена схема генерирования псевдослучайных чисел, при которой текущее значение числа получается согласно

Рис. 6.6

формуле где знаком обозначен циклический сдвиг вправо на разрядов; сложение производится здесь поразрядно по модулю 2. На рис. показана схема устройства, работающего с Здесь: 1 и триггеры и 2 — сумматоры по модулю 2 (на рисунке обозначения 1 и 2 указаны лишь для одного триггера и одного сумматора) память для на триггерах; 4 — схема сложения по модулю 2 для формирования память для на триггерах. Для получения в этом устройстве текущего значения -разрядного числа выполняется лишь -разрядное сложение по модулю 2 и запоминаются при хранении значений только два -разрядных слова.

Каждый из указанных методов имеет свои преимущества и недостатки. Однако во всех случаях распределение получаемых этими методами статистических последовательностей близко к равномерному и тоже почти равномерным является получаемый энергетический спектр, т.е. генерируемый шум близок к белому шуму. В ряде случаев как раз это требуется при рассматриваемой нами обработке информации. Но возникает необходимость в получении последовательностей случайных величин и с другими законами распределения, чаще всего с гауссовым.

Генерирование гауссовых псевдослучайных чисел производится обычно с использованием указанных ранее последовательностей псевдослучайных чисел с равномерным распределением на основе центральной предельной теоремы случайных величин. Согласно последней распределение суммы N одинаково распределенных случайных величин стремится к нормальному (гауссовому) при Практически последовательности независимых равномерно распределенных случайных чисел при достаточно большом конечном N преобразуются в последовательность чисел

с гауссовым распределением посредством нормирующего преобразования:

В какой мере отвечает полученная таким образом гистограмма генератора гауссовых псевдослучайных чисел теоретическим данным можно судить по характеристикам, приведенным на рис. Здесь: генерируемые числа; частота их появления; сплошными линиями показана экспериментальная характеристика, штриховой линией — теоретическая кривая.

Заканчивая рассмотрение данного вопроса, отметим следующее. Получение псевдослучайных чисел используется для ряда приложений, основанных на применении БПФ и БПУ. Вместе с тем преобразования Фурье и Уолша применяются и при генерировании гауссовых псевдослучайных чисел: в работах [163, 231] показана эффективность применения БПФ при выполнении указанного выше нормирующего преобразования; в книге [221] сказано о варианте генератора гауссовых псевдослучайных чисел, при работе которого используются матрицы Адамара. Это еще один из примеров применения преобразований Фурье и Уолша, дополняющие многие другие, приведенные в нашей книге.

АЦП, ЦАП. О применении аналого-цифровых преобразователей уже упоминалось при описании БПФ-процессоров. АЦП используются для преобразования непрерывных входных сигналов в цифровые, обрабатываемые основными микроэлектронными устройствами. Некоторые АЦП выполняются независимо от последних. С созданием же СБИС во многих случаях АЦП размещается в том же кристалле, в котором находятся основные устройства, служащие для обработки сигналов. В некоторых микроэлектронных устройствах используются также ЦАП-преобразователи цифровых сигналов в выходные аналоговые сигналы. Принципы построения АЦП и ЦАП описаны в книгах [20, 62]. Сведения о применяемых схемных решениях и о конструкциях, разработанных в СССР и за рубежом, АЦП и ЦАП, в том числе микропроцессорных, приведены в книге автора [100]. Далее дается сокращенное изложение этого вопроса.

К АЦП в разных случаях предъявляются различные требования: иногда бывает важным возможно более простое их выполнение и не требуется от них высокого быстродействия, в других случаях последнее требование является одним из главных, и для того чтобы оно было удовлетворено, допускается усложнение схемы АЦП. С учетом этого строятся АЦП различных типов, основными из которых являются АЦП рассматриваемых ниже трех типов.

К одному из них относятся так называемые АЦП последовательного счета. Принцип их работы иллюстрируется на рис. 6.7,а. На рисунке показано, как производится отсчет преобразуемой непрерывной величины х, значение которой заранее неизвестно и должно быть представлено его цифровым эквивалентом в результате аналого-цифрового преобразования. Справа на рисунке указаны деления, отвечающие единицам цифровой шкалы. При работе АЦП этого типа используется один-единственный компаратор-элемент сравнения значений текущих отсчетов

Рис. 6.7. (см. скан)

с отсчетом величины х. Последовательно наращиваются от 1 и выше значения текущих отсчетов до того, что будет достигнуто значение, равное (с точностью до единицы шкалы) значению х. Рисунком иллюстрируется окончание этой процедуры после -го текущего отсчета.

В АЦП второго типа производится, как говорят, поразрядное кодирование. Принцип работы таких АЦП поясняется рисунком В качестве эталонов, с которыми сравнивается отсчет непрерывной величины, берутся при этом методе преобразования значения где ( — число разрядов, с которым работает преобразователь). Сравнение начинается с эталона высшего разряда. В рассматриваемом примере При этом в старшем разряде получаемого цифрового выражения

указывается и со следующим более младшим эталоном сравнивается величина дальнейшие сравнения начинаются с использованием эталона Если бы при первоначальном сравнении оказалосьх то в старшем разряде получаемого цифрового выражения было бы указано " и со следующим эталоном сравнивалась вся величина х. Такие операции сравнения продолжаются до тех пор, пока не будет произведено сравнение с младшим эталоном, представляющим собой единицу шкалы. При этом методе аналого-цифрового преобразования производится меньше операций сравнения, чем при пользовании ранее описанным методом. Но кроме операций сравнения здесь оказывается необходимым вычисление разностей величин, когда сравниваемая величина меньше эталона.

Третья из основных схем построения АЦП - схема считывания, называемая также параллельной. Процесс работы таких АЦП иллюстрируется рис. 6-7,е. Отечет х непрерывной величины одновременно сравнивается с эталонами, где число единиц шкалы. Каждый из промежуточных эталонов отличается от каждого из соседних с ним на единицу шкалы (см. рис. 6.7,в). Цифровым эквивалентом величины х здесь является число такое, что . В этом отношении данный метод не отличается от превоначально рассмотренного. Метод считывания более сложен, так как применяется столько эталонов, сколько делений имеет шкала преобразователя. Однако он обеспечивает наибольшее быстродействие в системе преобразования сигналов.

АЦП строятся также, как было отмечено, по промежуточным схемами по схемам, предусматривающим другие виды аналого-цифрового преобразования. В качестве примера таковых укажем АЦП, схема которого приведена на рис. 6.7,г. Его особенностью является то, что он содержит ЦАП. Составными его узлами являются: генератор импульсных сигналов реверсивный цифровой двоичный счетчик элемент сравнения непрерывных сигналов 4. Преобразуемые непрерывные сигналы передаются через входной канал 5. Каналы 6 являются выходными. Канал 7 служит для управления реверсивным счетчиком. Преобразователь работает следующим образом. С выхода генератора импульсов 1 импульсные сигналы поступают на вход счетчика 2- В счетчике они суммируются с ранее сосчитанными или вычитаются из ранее полученной суммы. Это зависит от того, какой сигнал передается по каналу 7. Показания счетчика передаются в выходные каналы и кроме того поступают на вход Выходной аналоговый сигнал ЦАП сравнивается элементом сравнения 4 с входным непрервным сигналом Если величина меньше величины выходного сигнала ЦАП, счетчик работает в режиме вычитания поступающих импульсов. В противном случае импульсы суммируются. При такой работе счетчика получается выходной цифровой сигнал, отражающий с точностью до единицы младшего разряда преобразуемую величину х.

Отметим еще АЦП, работающие с так называемым двухшаговым интегрированием. Последнее существенно улучшает характеристики АЦП последовательного счета, которые в простейшем их варианте недостаточно помехоустойчивы, что препятствует тому, чтобы выполнять их многоразрядными.

Принцип двухшагового интегрирования заключается в следующем, В течение первого шага, занимающего заданный промежуток временил

аналоговым интегратором производится интегрирование входного напряжения. При этом на интегрирующем конденсаторе накапливается заряд, отражающий среднее за выделенный промежуток времени значение входного напряжения. Во время второго шага конденсатор разряжается, будучи соединенным переключателем с источником опорного напряжения, имеющим полярность, противоположную входному напряжению. В конце второго шага конденсатор приходит к начальному состоянию, что фиксируется компаратором. Работа АЦП находится под контролем устройства управления. В преобразователе имеется счетчик, соединенный с выходным регистром. Схема данного АЦП приведена на рис. 6.7,д, где 1 — переключатель, 2 - источник опорного напряжения, 3 и 4 — операционные усилители, 5 — компаратор, 6 — устройство управления и счетчик, 7 — выходной регистр, 8 — входной канал, 9 — выходной код, 10 — канал передачи счетных импульсов, 11 — канал передачи импульсов управления.

Точность АЦП зависит от числа разрядов, принятых для цифрового сигнала. Это же относится и к рассматриваемым далее ЦАП. По данным, приведенным в книге [20], для АЦП различных типов характерны следующие величины максимальной скорости выполнения преобразований. У последовательного АЦП с десятиразрядным счетчиком, в который счетные сигналы поступают с частотой 1 МГц, максимальная частота работы порядка 1 кГц. АЦП последовательных приближений обычно могут уже выполнять преобразований в секунду. Для параллельных АЦП возможны рабочие частоты до обычно строятся по одной из двух схем, изображенных на рис. На рис. представлена схема преобразователе с весовыми сопротивлениями. Сопротивления 1 взяты в соответствии с весами разрядов двоичного числа которое подается на входы преобразователя. В зависимости от того, передается ли по соответствующему выходному каналу сигнал или реле 2 переводит переключатель 3 (обозначения 2 и 3 указаны на рисунке только для одного из каналов передачи сигналов) в положение включения или выключения. При первом из них сопротивление соединяется с линией эталонного напряжения 4, при втором — с линией 5, замкнутой на землю. К сопротивлениям присоединен усилитель постоянного тока 6. Получаемое на его выходе напряжение представляет собой аналоговую величину, эквивалентную числу на входе преобразователя. На рис. 6.7, ж показана схема выполняющего те же функции ЦАП с двумя номиналами сопротивлений. Преимуществом ее перед ранее рассмотренной схемой является то, что не возникает необходимости в использовании целого ряда сопротивлений, каждое из которых должно в два раза отличаться от соседних с ним, причем это соотношение должно выдерживаться с большой точностью. Для преобразования цифрового кода в напряжение чаще всего применяются ЦАП с двумя номиналами сопротивлений.

Для того чтобы АЦП и ЦАП могли работать совместно с микропроцессорными устройствами обработки информации или в их составе, согласовываются характеристики АЦП и ЦАП с характеристиками соответствующих элементов этих устройств. Разработаны специализированные АЦП Для устройств, производящих спектральный анализ. Применяются также более сложные аналого-цифровые вычислительные системы, работающие с

программным управлением. В таких системах в самом АЦП имеются микропроцессорные БИС. АЦП и микропроцессор выполняют здесь совместно и аналого-цифровое преобразование, и ряд других функций. АЦП этого вида являются многофункциональными. Так как такие электрические многофункциональные АЦП представляют собой объединенные вместе преобразователь напряжения в код (ПНК) и микропроцессор (МП), для них принято также сокращенное обозначение МП ПНК. Они отличаются от обычных АЦП следующим. При их перестройке могут выполняться функции АЦП различных типов. Структура АЦП может быть адаптивной; она может изменяться так, чтобы наилучшим образом удовлетворять требованиям, которые могут быть различными при различных условиях работы. При этом учитываются характеристики преобразуемой аналоговой величины: диапазон ее изменения, скорость изменения, уровень помех, требуемая точность преобразования. Может производиться предварительная обработка информации. Кроме аналого-цифрового преобразования могут выполняться функции согласования формы представления информации в различных частях системы.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС), области их применения. ПЗС являются особым видом микроэлектронных устройств. Они применяются при построении фурье-процессоров, получивших название аналоговых фурье-процессоров и комбинированных фурье-процессоров. ПЗС используются также при фильтрации сигналов. ПЗС применены в ряде систем обработки речевых сигналов и изображений. Во многих случаях оказывается эффективным применение ПЗС совместно с устройствами, при работе которых сигналы передаются поверхностными акустическими волнами (ПАВ-устройства). Здесь рассмотрим только то, что касается ПЗС, сведения об устройствах на ПАВ будут приведены в § 3.

В построенных на базе ПЗС фурье-процессорах для выполнения преобразования Фурье используется алгоритм линейной частотной модуляции о котором было рассказано в главе II. Фурье-процессоры на ПЗС работают и с применением z-преобразования -преобразование) или обеспечивая также возможность вычисления спектральной плотности мощности сигнала. Построенные на основе ПЗС фурье-процессоры описаны в статьях [127, 243, 264]. Публикации, посвященные использованию ПЗС при обработке изображений и речевых сигналов, использованию их в цифровых фильтрах и других устройствах обработки информации, будут указаны нами в § 5 при обзоре литературы, касающейся этих вопросов.

Выполнение устройств на базе ПЗС составляет особое направление в микроэлектронной технике обработки сигналов. Это так называемая дискретно-аналоговая техника, отличающаяся от цифровой, о которой говорилось раньше в нашей книге. При цифровой обработке аналоговых сигналов последние преобразуются с помощью АЦП в цифровые сигналы. В дискретно-аналоговых системах берутся, как и в цифровых, выборочные значения исходного аналогового сигнала, однако затем производится не цифровая, а аналоговая их обработка. Хотя при этом и не достигается высокая точность, получаемая при работе цифровых устройств, однако сохраняются такие присущие последним свойства, как стабильность

времени выборки значений входного сигнала и простота перестройки преобразователей в тех случаях, когда это представляется нужным. В книге [276], в которой рассмотрены принципы выполнения систем на базе ПЗС, отмечены следующие преимущества устройств дискретно-аналоговой обработки сигналов: простота их и технологичность; возможность высокой степени их интеграции; малые затраты мощности при работе их в режиме передачи информации (намного меньшие, чем для наиболее экономичных устройств, построенных на микроэлектронных элементах обычного вида); очень высокое их быстродействие, достигаемое благодаря исключению операции квантования выбираемых аналоговых сигналов, являющейся обязательной при цифровой обработке (возможно достижение при работе дискретно-аналоговых устройств гигагерцевого диапазона по тактовой частоте, т.е. диапазона по тактовой частоте, ограниченного значением герц); высокий динамический диапазон.

ПЗС представляют собой один из видов более широкого класса устройств — приборов с переносом заряда (ППЗ), к числу которых кроме ПЗС относятся так называемые "пожарные цепочки" (ПЦ). Важнейшими функциональными устройствами дискретно-аналоговой техники являются дискретно-аналоговые линии задержки (ДАЛЗ). Согласно [276] ДАЛЗ "в простейшем случае состоит из последовательно соединенных элементов памяти и аналоговых переключателей, причем задержка сигнала осуществляется путем запоминания выборочных значений входного сигнала и очередного сдвига отсчетных импульсов, амплитуды которых пропорциональны соответствующим выборочным значениям. Каждый из аналоговых переключателей выполняет функцию считывания выборочного значения сигнала с устройства и перезаписи его в следующую ячейку памяти. Процессу записи должны предшествовать считывание и стирание предыдущего выборочного значения. Таким образом, ДАЛЗ в известном смысле подобна регистру сдвига с тем отличием, что в ней сохраняются все градации выборочных значений исходного сигнала".

Принципы работы элементов ПЗС и технология их изготовления отличаются от принципов работы и технологии изготовления элементов микропроцессорной техники, описанных нами в книге [100]. Приведем краткие сведения об элементах ПЗС, следуя изложению этого вопроса в книге [276].

Принцип построения ППЗ иллюстрируется рис. 6.8,а. Здесь показан конденсатор, выполненный в виде металлического электрода, нанесенного на термически окисленную кремниевую подложку. Для рисунка приняты следующие обозначения: 1 — металл, 2 — окисел, 3 — полупроводник. При приложении к подложке -типа отрицательного напряжения электроны перемещаются из граничащего с окислом слоя в глубь подложки (на рисунке штриховой линией показан уровень поверхностного потенциала) На границе между окислом и полупроводником образуется потенциальная яма дырок, используемая для удержания положительного заряда, пропорционального приложенному выборочному значению заряда. Максимальное время хранения заряда в конденсаторе представляет собой время. в течение которого после приложения напряжения происходит накопление дырок.

На рис. 6.8,б показано, как производится в ПЗС передача заряда из одной ячейки памяти в другую. Здесь изображены два одинаковых

Рис. 6.8 (см. скан)

конденсатора, расположенных на общей полупроводниковой подложке. При приложении ко второму из показанных электродов напряжения — большего по абсолютной величине чем напряжение между электродами возникает электрическое поле, под действием которого информационный заряд диффундирует из области под первым электродом в область, расположенную под вторым из них. С тем, чтобы избежать необходимости очень близкого расположения указанных электродов, что технически реализовать затруднительно, иногда применяют дополнительный передающий электрод. Такая схема показана на рис. 6.8,е. Здесь: 1 и 3 — скрытые электроды, первый из которых является источником, другой — приемником; 2 — передающий электрод.

Риснуком 6.8,г иллюстрируется принцип работы трехтактного ПЗС. Направленная, управляемая передача зарядов в таком ПЗС производится следующим образом. При состоянии ПЗС, показанном в верхней части рисунка, к электродам прикладывается отрицательное относительно подложки напряжение а к остальным электродам отрицательное напряжение такое, что по абсолютной величине первое из них больше чем второе. При этом в потенциальных ямах под электродами 1, 4, 7 — находятся зарядовые пакеты соответствующих величин. При следующем состоянии ПЗС, показанном в средней части рисунка, на

электроды подается отрицательное напряжение которое по абсолютной величине больше чем и указанные выше зарядовые пакеты переходят в область электродов При дальнейшем переходе ПЗС к состоянию, изображенному в нижней части рисунка, начинается процесс хранения зарядов под указанными электродами.

При применении ПЗС как ДАЛЗ производится линейное преобразование выборочных входных сигналов в зарядовые пакеты и производится обратное преобразование. Пожарными цепочками называются ППЗ, в которых, как показано на рис. 6.8,д, имеются диффузионные области -типа в зоне каждого конденсатора, в которых накапливаются заряды. В средней и нижней части этого рисунка приведены соответственно схемы распределения поверхностного потенциала при хранении заряда и при продвижении заряда Использование принципа ПЦ для построения ДАЛЗ иллюстрируется рис. 6.8,е. Разработаны ДАЛЗ, выполняемые по многоканальной схеме. Многоканальные линии задержки используются при построении фильтров и процессоров.

В книге [276] и в источниках, которые будут дополнительно указаны в § 5, приводятся более подробные сведения и об их применении в рассматриваемых нами отраслях техники.