Аналоговая схемотехника (стр. 13 )

Нейропроцессоры. Нейросетевой подход эффективен при решении плохо формализованных задач, для которых трудно указать последовательность действий. К ним относятся распознавание образов и кластеризация данных – группировка данных по присущей им «близости». Применение кластеризации связано со сжатием данных, анализом и поиском в них закономерностей.

В отличие от формализованных задач, нейронная сеть может экстраполировать результат. Учёт новых факторов нейросетью происходит за счёт переобучения сети с их участием, а не в переделывании формализованных правил. При ограниченном числе экспериментальных данных нейронные сети являются аппаратом, позволяющим максимально использовать имеющуюся информацию.

Общая идея применения нейронных сетей основана не на выполнении предписанного алгоритма, а на запоминании сетью предъявленных ей примеров на этапе создания сети и выработке результатов, согласованных с запомненными примерами. В решаемых задачах точки многомерного пространства образуют области точек, обладающих одним и тем же свойством. Нейронные сети запоминают подобные области, а не отдельные точки, представляющие предъявленные при обучении примеры. При запоминании используется отдельный элементарный вычислитель, называемый нейроном, а для запоминания всех областей используется объединение составляющих нейронов в параллельную структуру – нейросеть.

Построение вычислительных систем, интерпретирующих нейросетевые алгоритмы, осуществляется на традиционной элементной базе. Принятой в нейрокомпьютерном мире единицей измерения производительности является «число соединений в секунду» CPS (connections per second). Под соединением понимается умножение входа на вес и сложение с накопленной суммой. Другой показатель – число изменённых значений весов в секунду CUPS (connections update per second).

Цифровые нейроБИС, как и аналоговые и гибридные, реализуют нейроалгоритмы, могут включать схемы настройки весов при обучении, предусматривать внешнюю загрузку весов. Цифровые БИС для систолических систем и систем с одним потоком команд представляют собой близкие к обычным RISC-процессарам устройства, обычно 16- или 32-разрядные процессоры.

Аналоговые нейро-БИС используют простые физические эффекты для выполнения нейросетевых преобразований. Аналоговые элементы обычно меньше и проще цифровых, но для обеспечения необходимой точности требуют тщательного проектирования.

Вопросы для самотестирования

1 Какой функциональный узел позволяет выбрать команду из ЗУ программ?

2 Зачем нужны регистры сверхоперативной памяти в микропроцессоре?

3 Как микропроцессор работает с подпрограммами?

4 Зачем нужен регистр косвенного адреса в блоке регистров микропроцессора?

5 Как в современных процессорах осуществляется структурное уменьшение времени доступа к памяти?

4 ПОНЯТИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

4.1 Измерения как способ получения количественной информации

Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов [9]. Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические объекты, физические явления и процессы. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения нескольких сот различных электрических и неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) величин.

Измерение неэлектрических величин может осуществляться как электрическими устройствами с предварительным преобразованием неэлектрической величины в электрическую, так и неэлектрическими устройствами. Электрические средства измерений имеют ряд преимуществ перед другими средствами измерений. Они характеризуются следующим.

А) Простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измеряемых значений. Использование электронной техники позволяет повысить чувствительность измерительного прибора в тысячи раз, что позволяет измерять такие величины, которые другими методами не могут быть измерены.

Б) Малой инерционностью (широким частотным диапазоном), что позволяет проводить измерения как медленно меняющихся, так и быстро меняющихся во времени величин.

В) Возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния, математической обработки и использования их для создания управляющих систем.

Д) Возможностью комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электронной аппаратуры.

Существует несколько определений понятия «измерение». Большинство говорит о том, что измерение – это процесс получения информации, т. е. измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации. Измерительная информация – это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально, путем сравнения параметров объекта с мерой.

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, (систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Основной задачей измерений является получение информации о значении физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Единица физической величины – это физическая величина, которой по определению присвоено численное значение, равное 1. Значением физической величины называется оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Физическая величина может характеризоваться истинным ее значением. Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Следует отметить, что экспериментально определить истинное значение невозможно. Результат измерения дает только оценку истинного значения физической величины с некоторой погрешностью. Поэтому при необходимости вместо истинного значения используют действительное значение физической величины.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. По характеру участия в процессе все средства измерений (СИ) можно разделить на пять основных групп: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

4.1.1 Виды измерений

Классификация видов измерений строится:

А) по способу получения результата. Прямые измерения – это такие, результат которых получается непосредственно из опытных данных. Прямое измерение условно можно выразить формулой X = Y, где Y – искомое значение измеряемой величины, X – значение, непосредственно полученное из опытных данных.

Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Совместные измерения – такие, при которых искомое значение разноименных величин определяются путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин с непосредственно измеренными величинами, т. е. путем решения системы уравнений:

F1 ( Y1, Y2, Y3, ... , X1I, X2I, X3I, ... ) = 0;

F2 ( Y1, Y2, Y3, ... , X1II, X2II, X3II, ... ) = 0 (4.1)

Б) по изменению входной величины во времени:

– статические – такие, когда входящая величина неизменна во времени;

– динамические – такие, когда входящая величина меняется во времени.

В) по форме входной информации: аналоговые – такие, когда выходной величиной является непрерывная величина. Дискретные (цифровые) – такие, когда выходной величиной является дискретная (цифровая) величина.

Д) по повторяемости: однократные – такие, когда результат получают при помощи одного измерения (отсчета, опыта). Многократные (статистические) – такие, при которых результат получают после проведения нескольких измерений (отсчетов, опытов) и последующей обработки полученных данных.

4.1.2 Погрешности измерений

В связи с тем, что истинное значение ХИ неизвестно, на практике пользуются «действительным значением» величины, которое может быть определено экспериментально при помощи образцовых средств измерения и настолько приближается к истинному, что может быть использовано вместо него. Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинных значениях измеряемой величины. Важно: отклонение, а не разность, т. к. разность – абсолютна, а отклонение может быть и абсолютно, и относительно. Различают погрешности инструментальную и методическую. Инструментальная обусловлена несовершенством применяемого средства измерений, а методическая – метода измерения.

По виду выражения погрешности различают: абсолютные; относительные; приведенные. Абсолютная погрешность измерений – погрешность, выраженная в единицах входной величины. Погрешность измерений и средств измерений не одно и то же, поэтому целесообразно определить некоторые погрешности средств измерений. Абсолютная погрешность меры: разность между номинальным значением меры и истинным значением воспроизводимой ей величины.

Абсолютная погрешность D прибора: разность между показаниями Х прибора и истинным значением ХИ измеряемой величины: D = Х – ХИ. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой.

Для характеристики средств измерений используют понятие относительной погрешности приборов, преобразователей и мер. Для приборов и преобразователей используют также понятие приведенной погрешности. Относительная погрешность d – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению входной или воспроизводной величины (обычно выражается в процентах):

d = (D / ХИ) х 100 % . (4.2)

Приведенная погрешность равна выраженному в процентах отношению абсолютной погрешности D к нормирующему значению ХN :

g = (D / Х N) х 100 % . (4.3)

Нормирующее значение принимается равным:

а) для средств измерений, за исключением случая неравномерной шкалы, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы – конечному значению диапазона измерений;

б) если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений – арифметической сумме конечных значений диапазона измерений;

в) для средств измерений с установленным номинальным значением – этому номинальному значению;

д) для приборов с неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае абсолютную погрешность выражают (как и длину шкалы) в единицах длины.

В зависимости от изменения во времени измеряемой величины различаются следующие погрешности средств измерений: статическая – при измерении неизменной во времени величины; динамическая – разность между погрешностью статической и погрешностью в динамическом режиме.

В зависимости от характера изменений во времени различают погрешности: систематическую – погрешность, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся; случайную – погрешность, изменяющуюся случайным образом.

В зависимости от условий возникновения различают погрешности: основную – погрешность средства измерений в нормальных условиях применения; дополнительную – погрешность средства измерений, вызванную отключением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом за пределы нормальных значений.

У средств измерений существуют погрешности, которые возрастают пропорционально входному сигналу. Это мультипликативные погрешности. Есть погрешности, значения которых не зависят от входного сигнала. Это аддитивные погрешности, рисунок 4.1.

Рисунок 4.1 – Поведение погрешности в динамическом диапазоне

4.1.3 Вероятностные оценки погрешности измерения

Погрешность измерения Δ – это случайная величина, проявляющаяся в непредсказуемых случайных изменениях результата измерения одной и той же величины в неизменных условиях одним и тем же средством измерения, одним и тем же наблюдателем. Результат измерения х – также случайная величина и характеризуется математическим ожиданием М[х] и дисперсией D[x] (или СКО ). Численные значения этих параметров находятся путём многократных измерений за интервал времени Т (то есть это – статистические измерения, и обрабатываются они методами теории вероятности).

Однако большинство измерений выполняется путём однократного наблюдения, и показания прибора принимают за результат измерения с максимальной абсолютной погрешностью Δmax. Она определяется по классу точности δкп прибора:

, (4.4)

где АК – предел диапазона измерения.

Погрешность измерения Δ есть сумма систематической Δс и случайной составляющих: Δ = Δс + . Систематическая погрешность остаётся постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины – это математическое ожидание погрешности измерения: Δс = М[Δ]. Случайная погрешность является случайной величиной с математическим ожиданием равным нулю: M[] = 0.

4.1.4 Средства измерений

Средствами электрических измерений называются технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации, т. е. информации о значениях измеряемой величины, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные преобразователи – средства измерений предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Некоторые виды ИП названы датчиками – под ними понимают ИП, размещенные непосредственно на объекте измерения и удаленные от места отображения, обработки или регистрации информации.

Измерительная установка – совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измерительные системы – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Каналы связи могут быть как проводными (кабельными), так и радио. В этом случае ИС называют телеизмерительными.

4.1.4.1 Метрологические характеристики средств измерения. Нормирование метрологических характеристик

Под метрологическими характеристиками (МХ) понимают характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Перечень МХ устанавливают ГОСТ 8.009-78 и ГОСТ . Одной из основных МХ является погрешность.

К метрологическим характеристикам относят входное и выходное полное сопротивления (Z ВХ и Z ВЫХ). Это важный показатель. Предпочтительны высокие Z ВХ и низкие Z ВЫХ.

4.1.4.2 Способы выражения и нормирования пределов допускаемых погрешностей

В соответствии с ГОСТ 8.401-80 пределы допускаемой основной и дополнительной погрешности средств измерений могут устанавливаться в виде абсолютных, относительных или приведенных погрешностей или в виде определенного числа делений шкалы. Предел допускаемой абсолютной погрешности выражается: одним значением D = ± а; в виде линейной зависимости D = ± (а + bх), где «а»–- аддитивная, а «bх» – мультипликативная составляющие погрешности[10].

Предел относительной погрешности выражается в процентах одной из следующих формул:

d = (D / Х) х 100 % = ± с , или d = ± [ c +d [ (Х К / Х) – 1] ] , (4.5)

где c, d – постоянные числа, ХК – конечное значение диапазона измерений.

Обобщенной метрологической характеристикой средств измерений является класс точности, который определяет допускаемые пределы всех погрешностей. У приборов, аддитивная составляющая погрешности которых преобладает над мультипликативной, класс точности выражается одним числом, выбираемым из ряда 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6; 10N где N = 1, 0, – 1, – 2, и т. д.

У приборов с соизмеримыми аддитивными и мультипликативными составляющими основной погрешности класс точности обозначается отношением двух чисел c/d. Класс точности должен удовлетворять условию c > d, в противном случае следует пользоваться выражением класса точности одним числом.

Предельное значение основной относительной погрешности не должно быть меньше предельного значения реальной погрешности : откуда:

Библиографический список

1 , Жданов и импульсная техника. – М.: Машиностроение, 1981. – 230 с.

2 Забродин электроника: Учебн. для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 496 с.

3 Никонов узлы цифровых измерительных устройств: Учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. – 52 с.

4 Логические цепи в цифровой технике / Под ред. . – М.: Связь, 1977. – 392 с.

5 , , и др. Проектирование микроэлектронных цифровых устройств. – М.: Сов. радио, 1977. – 272 с.

6 Кончаловский измерительные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

7 Ким системы: Учеб. пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2000. – 136 c.

8 , Киселёв микропроцессоры. – М.: НОЛИДЖ, 2000. – 320 с.

9 Основы метрологии и электрические измерения: Учеб. пособие для вузов / Под ред. . – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с.

10 Никонов и электроника: Электронный учебник [Электронный ресурс]. – Омск: ОмГТУ, 2004. – Объём 138 Мбайт.

Содержание

1 Аналоговая схемотехника ……...................……………………………..……………. 3

1.1 Усилители и их параметры ...…...............................…………………..…...…. .3

1.1.1 Принцип работы усилительного каскада ................................................ 6

1.2 Усилители на полупроводниковых компонентах ……….……............…….... 7

1.2.1 Усилительный каскад по схеме ОИ ......................................................... 8

1.2.2 Дифференциальный усилительный каскад ............................................. 9

1.3 Операционные усилители, их параметры и базовые схемы ..............……… 11

1.4 Усилители с обратной связью ........................................................................... 15

1.5 Генераторы гармонических сигналов ............................................................... 16

1.6 Компаратор, триггер Шмита ............................................................................. 19

1.7 Генераторы импульсных сигналов................................................................... 21

2 Дискретная схемотехника .........................................................................................… 25

2.1 Логические элементы …....................................................................………… 25

2.2 Синтез комбинационных логических цепей ................................................... 28

2.3 Последовательностные устройства .................................................................... 32

2.3.1 Триггеры ................................................................................................... 32

2.3.1.1 RS-триггеры .................................................................................... 33

2.3.1.2 D-триггеры ...................................................................................... 34

2.3.1.3 Т-триггер ......................................................................................... 35

2.3.1.4 JK-триггер ....................................................................................... 36

2.4 Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов.................................... 36

2.5 Регистры .............................................................................................................. 42

2.6 Мультиплексоры и селекторы .......................................................................... 46

2.7 Счётчики импульсов .......................................................................................... 48

2.8 Сумматоры........................................................................................................... 52

3 Функциональные преобразователи. Микропроцессоры ………………...........…… 56

3.1 Понятие аналого-цифрового преобразования ................................................. 56

3.2 Понятие цифро-аналогового преобразования ……...………......................... 63

3.3 Микропроцессоры .............................................................................................. 67

3.3.1 Микропроцессор 8080 (К580ВМ........................................... 71

3.3.2 Современные микропроцессоры ............................................................ 74

3.3.2.1 Разновидности архитектур современных

микропроцессоров ..................................................................................... 75

4 Понятие измерения ........................................................................................................ 77

4.1 Измерения как способ получения количественной информации................. 77

4.1.1 Виды измерений ...................................................................................... 78

4.1.2 Погрешности измерений ......................................................................... 79

4.1.3 Вероятностные оценки погрешности измерения ..............................

4.1.4 Средства измерений ................................................................................. 81

4.1.4.1 Метрологические характеристики средств измерения.

Нормирование метрологических характеристик................................... 81

4.1.4.2 Способы выражения и нормирования пределов

допускаемых погрешностей ...................................................................... 81

Библиографический список ………………………….......................…………… 82

Редактор ____________

ИД _______ от ________

Подписано в печать _______. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на

дупликаторе. Усл. печ. л. ___. Уч. – изд. л. ___. Тираж 200 экз. Заказ _________.

__________________________________________________________________

Издательство ОмГТУ. Омск, пр. Мира, 11.

Типография ОмГТУ