Коллектив авторов - История электротехники
Несмотря на многообразие функций, выполняемых информационной электроникой, она основана на ограниченном наборе фундаментальных технических идей. Значительная их часть известна с начала столетия, они используются в различных областях техники, упоминание о них можно найти в различных частях настоящей книги. Реализация этих идей в промышленных технических средствах преобразования информации существенно зависела от состояния и уровня технологии. В области информационной электроники наиболее распространенные преобразования информации включают:
усиление электрических сигналов;
сканирование, развертывающее преобразование сигнала;
обратную связь, построение замкнутых систем;
дискретизацию (квантование) сигнала по времени и уровню.
Более новые способы, получившие развитие в середине века:
аппаратное преобразование Фурье, в том числе быстрое преобразование Фурье;
цифровая фильтрация сигналов.
11.4.2. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Первые шаги в применении информационных устройств в промышленности связаны с усилением слабых электрических сигналов. Исторически первым применением усиления стала передача сигналов по радио. Воспринятые слабые сигналы нуждались в усилении для того, чтобы они могли производить необходимый эффект — звуковой (усилители радиоприемников), электротехнический (радиоуправляемые устройства). Электронные устройства в промышленности нашли применение в двух сферах: измерительной (получение информации о состоянии объекта) и исполнительной (осуществление энергетического воздействия). Вторая сфера предполагает возможность применения в автоматических (без участия человека) устройствах управления, поэтому требует более высокой надежности. Неслучайно первые электронные средства играют роль осведомителей или советчиков, оставляя решение за человеком (оператором). Усилительные устройства оказались весьма полезными в связи с необходимостью получения электрических сигналов о значениях неэлектрических величин и их унификации. Основным стимулятором создания электронных промышленных приборов послужило развитие электро- и теплоэнергетики. С появлением первых электрических и тепловых сетей возникла необходимость централизованного контроля и регулирования расхода рабочего вещества (топлива и теплоносителя), уровня жидкости, температуры и других параметров веществ, участвующих в технологическом процессе. С развитием химической, пищевой, легкой и других отраслей промышленности, естественно, расширялся список параметров, подлежащих контролю. К нему добавились вязкость, оптические свойства, химический состав веществ и т.п. Однако наиболее многочисленными стали приборы для измерения, регистрации и регулирования температуры с термопарами и терморезисторами.
Структура всех средств содержит измерительный преобразователь (датчик) первичной информации, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал; электронный узел усиления и преобразования электрического сигнала; электромеханическое устройство регистрации и (или) исполнительный механизм для энергетического воздействия на контролируемый параметр.
Рис. 11.11. Автоматический компенсатор постоянного тока, запись на бумажной ленте шириной 275 мм (1960 г.)Усилители на электронных лампах характеризовались значительным разбросом параметров и нестабильностью во времени коэффициента усиления. Поэтому широкое распространение получили методы устранения влияния усилителя на качество работы прибора и системы в целом:
применение компенсационных методов измерения;
применение отрицательных обратных связей в усилителях.
Получившие широкое распространение электронные автоматические мосты и потенциометры преобразовывали измеряемую величину в перемещение движка потенциометра и связанное с ним перемещение стрелки показывающего прибора (рис. 11.11). Перемещение прекращалось, когда снимаемое с потенциометра напряжение полностью компенсировало входной сигнал. Электронный усилитель, на вход которого поступает разность измеряемого входного и компенсирующего сигналов, выполняет роль нуль-органа; к нему не предъявляется жестких требований стабильности, линейности в широком диапазоне измеряемых значений, поскольку в установившемся режиме он работает в режиме, близком к нулевому значению усиливаемого сигнала.
Для ослабления других дестабилизирующих факторов в усилителях широко использовались отрицательные обратные связи. Анализу и расчету усилителей и других схем на электронных лампах посвящены работы американского ученого Г. Боде по теории и проектированию усилителей с обратной связью (1948 г.), A.M. Бонч-Бруевича, Г.С. Цыкина, А.А. Ризкина, Г.В. Войшвилло (1956–1963 гг.) [11.33–11.37].
Одно из ранних применений электронных усилителей связано со стабилизацией источников питания. Стабилизаторы напряжения на электронных лампах представляют собой замкнутую систему с глубокой отрицательной обратной связью, с усилителями постоянного тока и пониженным минимальным остаточным напряжением. Разработка таких усилителей потребовала создания специальных мощных регулирующих ламп и исследования вопросов устойчивости и коррекции замкнутых систем.
Системы с обратной связью (замкнутым контуром регулирования) образуют весьма обширный класс. К ним относятся практически любые усилительные устройства, регуляторы, стабилизаторы и др. Изучение таких систем дало мощный стимул к созданию теории устойчивости, разработке систем с требуемыми параметрами быстродействия и качества регулирования. Анализу и синтезу систем с замкнутым контуром регулирования посвящена обширная литература.
Наиболее ощутимый вклад в методы расчета систем автоматического регулирования внесли работы советских ученых М.А. Айзермана, С.В. Емельянова, Л.С. Гольдфарба, B.C. Пугачева, Я.З. Цыпкина (1965–1975 гг.). Заложенные ими и многими другими исследователями теоретические основы позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области авиационной техники и ракетно-космических систем [11.39–11.44].
11.4.3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Импульсными называют информационные и энергетические электронные устройства, основанные на работе переключающих элементов и управлении моментами включения и выключения этих элементов. В зависимости от закона управления различают системы с амплитудной, частотной, широтной и фазовой модуляцией. Первые электронно-ионные регуляторы, основанные на фазоимпульсном методе регулирования, были разработаны в СССР в 1937–1941 гг. Л.С. Гольдфарбом и Г.Р. Герценбергом. Они содержали все узлы, характерные и для современных систем импульсного регулирования: измеритель регулируемой величины, компаратор, усилитель рассогласования, импульсный модулятор и усилитель мощности для энергетического воздействия на объект управления.
Импульсные энергетические преобразовательные устройства, основанные на работе управляемых силовых вентилей и полупроводниковых ключевых элементов в замкнутых системах импульсного регулирования, являются основой быстро развивающегося направления силовой (энергетической) электроники.
Информационные импульсные устройства основаны на преобразовании информации с использованием одного из видов импульсной модуляции, дискретизации данных и изменении числа координат. Наиболее распространенные виды преобразования информации импульсными устройствами: развертка (сканирование), частотно- и широтно-импульсная модуляция, измерение временных характеристик сигнала (моментов перепада, периода, частоты).
Впервые идея сканирования как последовательного просмотра точек плоского объекта была запатентована в Германии в 1884 г. Паулем Нипковым. Диск П. Нипкова был основой первого телевизора с механической разверткой. Благодаря развертке плоский двумерный образ преобразовывался в одномерный сигнал яркости.
На принципе развертывания основано осциллографирование процессов, изменяющихся во времени. Привычная всем картина изменения сигнала в функции времени на экране электронно-лучевой трубки может быть получена при условии равномерного движения изображающего элемента (электронного луча, светящейся точки) по одной координате и отклонения этого элемента по другой координате на значение, пропорциональное сигналу. Идея развертки для наблюдения процессов была выдвинута Л.И. Мандельштаммом в России в 1907 г., применение электронно-лучевой трубки с этой целью предложено в России Б.Л. Розингом в том же году. Эта фундаментальная идея дала множество выдающихся технических решений.
Применение развертывающего преобразования можно пояснить несколькими примерами из арсенала средств промышленной электроники.
