|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы ни, а цифровых методов - точность. Следовательно, в каждом конкретном случае есть компромиссное соотношение между объемами цифровой и аналоговой обработки сигналов. 1.2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Непрерывное повышение и разнообразие требований, предъявляемых к точности, быстродействию и энергопотреблению операций обработки аналоговых сигналов, уже не может обеспечиваться только за счет применения микросхем и расширения их номенклатуры. Чтобы с максимальной эффективностью проектировать и применять микроэлектронные системы обработки аналоговых сигналов, необходимо уметь выбирать из всего многообразия типов и структур таких систем лучшие и достигать в них предельного сочетания точности, быстродействия и потребляемой мощности для данного уровня развития электроники. Решение подобных задач не представляет большого труда для разработчиков систем цифровой обработки сигналов, обеспеченных развитым аппаратом логи-ческ<рго проектирования и обобщенными морфологическими показателями качества [5]. В то же время разработчики аналоговых систем обработки непрерывных сигналов хотя и обладают элементной базой, но не имеют обобщенных критериев ее качества и способов оптимизации параметров аналого-цифровых систем, позволяющих выявить и реализовать резервы их совершенствования. Объясняется это тем, что в классической технике обработки аналоговых сигналов, в том виде, в каком она существовала до конца 60-х годов, преобладали точностные показатели качества. Прогресс определялся в основном достижениями в части повышения точности выполнения операций над аналоговыми сигналами. С массовым выпуском аналоговых и аналого-цифровых микросхем общего применения (ОУ, компараторов напряжения,, аналоговых перемножителей, устройств выборки-хранения (УВХ), ЦАП и АЦП) точностные показатели систем обработки сигналов на их основе резко улучшились до значений, близких к предельным для современного уровня развития электроники. Эти пределы определяются уровнем развития технологии микросхем. Благодаря высоким показателям точности, быстродействия, надежности и энергопотребления аналоговые и аналого-цифровые микросхемы получили настолько широкое распространение, что сейчас нет области электронной техники, где бы они не применялись. Аналоговые и аналого-цифровые микросхемы развиваются в двух направлениях: совершенствование их параметров и повышение степени интеграции функций на кристалле кремния. Сейчас в микроэлектронике превалирует второе направление, в ходе развития которого созданы большие и сверхбольшие микросхемы, объединяющие аналоговые и цифровые структуры в многофункциональные однокристальные системы (системы сбора и обработки аналоговых сигналов, согласованные с микропроцессорами; аналоговые микропроцессоры, .ыполняющие программно управляемую цифровую обработку ана-льгрвых сигналов, модемы, кодеки и т. д.). Псеу-оянное повышение требований к параметрам аналоговых и аналого-цифровых микросхем привело к резкой дифференциации теоретических и практических аспектов их проектирования. Эта дифференциация, с одной стороны, позволила создать более полную теорию по проектированию элементов каждого типа, а с другой - углубила разобщенность принципов их проектирования и характеристик качества. Например, при идентичных характеристиках точности в ОУ, компараторах, УВХ у этих элементов абсолютно различные динамические характеристики. Более того, эти характеристики, измеряются обычно при некотором одном значении входного сигнала. .Существенно упростить задачу проектирования систем из различных функциональных элементов позволило бы введение обобщенных, точностных и динамических характеристик качества. Введение таких характеристик дает возможность не только выбирать из числа известных лучшие архитектуры систем обработки аналог говых сигналов, но также использовать обобщенные характеристики в качестве целевых функций при оптимизации электрических схем; усовершенствовать методику расчета систем обработки аналоговых сигналов; унифицировать современную аналоговую и аналого-цифровую элементную базу; производить количественную оценку предельно достижимых соотношений между параметрами аналого-цифровых систем и элементов на каждом этапе развития технологии и схемотехники. Решение поставленной цели должно основываться на области науки, позволяющей представить в едином виде функционирование любой аналоговой и аналого-цифровой микросхемы. В настоящее время такой обобщающей наукой стала кибернетика и ее теоретические основы в виде теории информации. Поэтому очевидна целосообразность попытки использования и развития законов преобразования информации применительно к специфике аналоговых и аналого-цифровых систем. Для этого необходимо представить эти системы и их части в виде преобразователей информации, сведя параметры каждой части к единым показателям, принятым в теории информации. Одновременно с этим следует в неразрывной связи с информационным рассматривать энергетический аспект работы систем обработки аналоговых сигналов. Введенный для цифровых элементных средств энергетический показатель качества - энергия переключения - стал обобщенным показателем их технического уровня. Из сказанного следует, что решение проблемы проектирования предельных по сочетанию параметров схем обработки аналоговых сигналов целесообразно искать на пути представления их в виде преобразователей информации, затрачивающих на ее прием и обработку энергию. Сведение, таким образом, частных параметров элементов и узлов в системах обработки аналоговых сигналов к единым информационно-энергетическим позволит применять развитый математический аппарат оптимизации параметров электронной аппаратуры. Обобщенная информационно-энергетическая модель узла обработки аналогового сигнала (УОАС). Представим УОАС общего применения в виде преобразователя информации, а его частные параметры сведем к единым, принятым для информационно-измерительных систем [6]. Часть информации АХ, поступающей на вход УОАС, теряется из-за его погрешности Д;. В качестве меры количества информации, содержаихейся в сообщении X, в теории информации используют понятие энтропии Н (Х). Количество информации Q об X, содержащееся в выходном сообщении, равно разности энтропии входного сообщения и погрешности Q = H{X) -Й{Ах). Для сигнала, ограниченного по амплитуде значениями Xi и Х2, энтропия максимальна при. равномерном ее распределении, а количество информации, получаемой на выходе УОАС, Q = log2p2-X,)/2A;,]. Количество информации о входном сообщении, переданное на выход УОАС, является его точностной характеристикой. По аналогии с информационно-измерительными системами: для оценки совокупности динамико-точностных характеристик УОАС воспользуемся понятием пропускной способности Ct. Это максимальное количество информации Qmax, передаваемой на вход УОАС в единицу времени, C. = Qma./tn, (1.1) где - время, необходимое для преобразования X с погрешностью Д . Энергетический аспект преобразования информации в дополнение к информационному был впервые исследован Бриллюэном [7]. Введено понятие «энергетическая цена измерения», определяемая как наименьшее количество энергии, которую необходимо затратить на входе измерительного устройства для получения ответа на один двоичный вопрос (да - нет) с вероятностью правильного ответа 0,5. Для идеального прибора, у которого устранены все погрешности, за исключением термодинамических флуктуации, энергетический порог чувствительности достигает своего предельного значения, равного Лво = 3,5-10~° Дж Применительно* к специфике УОАС введена входная пороговая энергия Ав, определяющая минимальную удельную (на 1 бит) полезную энергию, которую необходимо затратить на входе УОАС для получения на его выходе максимального количества информации QmaxX Величина Ав имеет размерность джоуль на бит (Дж/бит) и рассчитывается из выражения - ABlB.Vs..JjQma., (1-2) 0 1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 |