10. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Будем сравнивать различные типы преобразователей по точности и быстродействию. Сначала рассмотрим точность работы аналоговых вычислительных устройств (преобразователей). Под точностью работы вычислительного устройства понимают степень приближения выработанной устройством математической величины к истинному ее значению. Погрешность в работе устройства возникает из-за отклонений действительных значений параметров вычислительного устройства от их расчетных значений, а также от погрешности ввода входных величин. Помимо этого, погрешность может возникнуть за счет ошибки воспроизведения, когда в целях упрощения механизма или цепи вычислительного устройства допускают некоторые отступления от точной формулы воспроизведения. На точность работы вычислительных устройств могут влиять также динамические процессы внутри устройства (инерционность, деформации от рабочей нагрузки, изменение температуры и влажности окружающей среды и т. п.).

Погрешности вычислительных устройств принято классифицировать следующим образом: инструментальная ошибка, методическая и входная, ошибки.

Инструментальная ошибка обусловливается неточностью изготовления деталей, качеством сбирки, силовыми и температурными деформациями, износом трущихся поверхностей. Инструментальная ошибка ограничивается пределами допусков размеров и формы деталей, а также пределами допусков зазоров при сборке.

Ошибки, вызываемые деформацией деталей под влиянием рабочих нагрузок или изменений температуры, могут быть ограничены надлежащим расчетом и выбором материала деталей.

Методическая ошибка возникает как результат отступления от точной формулы воспроизведения вычисляемой функции. В целях упрощения конструкции механизма вычислительного устройства нередко прибегают к замене точной формулы воспроизведения ее приближенным выражением. Ошибка в этом случае определяется как наибольшая разность между точным и приближенным значениями вычисляемой функции в заданных пределах работы устройства.

Входная ошибка вызывается погрешностями ввода заданных аргументов в вычислительное устройство. Так, например, в электрических вычислительных механизмах входными величинами, исполняющими роль аргументов, часто являются напряжения источников. Нестабильность этих напряжений приводит к появлению входных ошибок вычислительных устройств.

Допустим, что вычислительное устройство аналогового действия предназначено для вычисления функции по аргументу. Обозначим координату, определяющую положение ведущего или входного звена, через , а ведомого или выходного — через

Для идеального вычислительного устройства, не имеющего никаких погрешностей, получим

где — масштабы моделирования функции и аргумента.

Пусть положение ведомого звена идеального вычислительного устройства определяется уравнением

в которое входят параметры определяющие размеры, форму и расположение звеньев, и координата положения входного звена.

Если вычислительное устройство имеет инструментальную и входную погрешности, то приведенное уравнение примет вид

Разлагая в ряд Тейлора и отбрасывая все члены выше первого порядка, получим приближенное значение погрешности

Погрешность вычисляемой функции будет

Индекс 0 означает, что дифференцирование относится к функции уравнения (VI. 209).

Если вычислительное устройство имеет к тому же методическую погрешность, то последняя суммируется с полученной выше. Допустим, что вместо точной функции вычислительное устройство моделирует приближенную функцию Тогда методическая погрешность определяется формулой

Для линейных систем все частные погрешности можно суммировать алгебраически, и рбвдая погрешность примет вид

Приведенные формулы позволяют оценить общую погрешность вычислительного устройства. Цифровые значения общих погрешностей ряда аналоговых функциональных преобразователей (вычислителей) приведены в табл. VI.8.

Предельные значения погрешностей в для устройств воспроизведения сложных нелинейных функций приведены ниже.

Из приведенных данных видно, что общая точность аналоговых функциональных преобразователей относительно невелика и в среднем составляет 0,1-5%, что ограничивает их применение в высокоточных системах автоматического регулирования (станки с программным управлением, следящие системы радиолокационных станций и т. п.). Значительно большие точности функциональных преобразований можно получить, применяя цифровые вычислительные устройства.

Характеристики точности и быстродействия ЦВУ преобразователей аналог — код, код — аналог и УЦВМ приведены в табл. VI.9 и VI. 10.

Таблица VI.8 (см. скан) Аналоговые функциональные преобразователи

(кликните для просмотра скана)

Современные цифровые вычислительные машины являются вычислительными машинами третьего поколения, особенность которых — использование интегральных схем. К таким вычислительным машинам предъявляется требование высокой надежности при небольших размерах и малой потребляемой мощности. Основной тенденцией на данном этапе развития цифровых вычислительных машин является их постепенная «интеграция», т. е. стремление к одновременному изготовлению все большего числа элементов и узлов ЦВМ, нераздельно связанных между собой. Интегральные схемы вычислительных устройств выполняют с помощью специальных технологических процессов микроэлетроники [61].

Тонкопленочные схемы. Метод вакуумного напыления считался одним из наиболее перспективных в микроэлектронике. Однако технологические методы пленочной интегральной электроники к настоящему времени не позволили получить в составе тонкопленочных интегральных схем триоды и диоды с удовлетворительными характеристиками.

Гибридные схемы. Одним из наиболее распространенных направлений микроэлектроники в настоящее время является создание пленочных гибридных схем. В этих схемах пассивные элементы и все соединения выполняются посредством нанесения пленок. В качестве активных элементов применяют навесные полупроводниковые приборы. Это направление позволяет использовать преимущества пленочной технологии в сочетании с возможностями технологии полупроводниковой. Схемы, изготовленные таким образом, оказались значительно меньших размеров и более надежными по сравнению со схемами с дискретными компонентами.

Полупроводниковые интегральные (твердые) схемы. Такие схемы состоят из дискретных компонент, изготовленных в одном монокристалле полупроводника. Основным преимуществом этого направления является возможность изготовления высококачественных активных компонент и относительно простое осуществление их защиты. Однако твердые схемы имеют и свои недостатки. В твердом теле значительно труднее получать сопротивления заданной величины; кроме того, полупроводниковые резисторы обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет конструирование схем.

Еще одним недостатком твердых схем является наличие большого числа паразитных связей. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, твердые схемы в настоящее время наиболее перспективны в микроэлектронике. В ближайшие годы они будут занимать центральное место в микроэлектронике.

Совмещенные схемы. Одним из важных этапов в развитии микроэлектроники явилось создание так называемых совмещенных схем путем комбинирования технологии твердых и пленочных схем. Простейшим вариантом совмещенных схем являются такие гибридные схемы, в которых на изолирующую подложку напыляются все пассивные компоненты и часть соединений, а активные компоненты и основные соединения между ними выполняются по технологии твердых схем на полупроводниковой пластинке, которая крепится на этой же подложке. В настоящее время технология совмещенных схем является одной из наиболее перспективных.