eng
Глава первая
История преобразователей
Уолт Кестер
Предисловие к главе.
На написание этой главы автора вдохновило исследование истории создания операционных усилителей Уолтом Юнгом в первой главе своей книги: Применение операционных усилителей 1. При раскрытии темы автор ссылается на сотни интересных статей, патентов и т.п. Если рассматривать их все как единое целое, они рисуют картину развития операционных усилителей - начиная с очерка Гарольда Блэка о ранних усилителях с обратной связью и заканчивая современными высокопроизводительными ОУ на ИС.
Мы старались достичь подобного при раскрытии истории создания преобразователей. Рассматривая масштабы этого намерения мы столкнулись с проблемой организации материала. Вместо того, чтобы охватывать весь исторический материал в одной главе, мы часть исторических сведений, относящихся к архитектуре преобразователей, включили в главу 3 (Типы архитектур преобразователей) наряду с описанием отдельных архитектур. Подобно этому, глава 4 (Технологический процесс создания преобразователей) включает большинство значимых событий относящихся к технологическому процессу создания преобразователей. Глава 5 (Тестирование преобразователей) затрагивает основные исторические этапы, касающиеся их тестирования.
При раскрытии сущности каждой главы, нам придется упоминать одни и те же исторические данные несколько раз по ходу повествования, следовательно, читатель должен осознавать, что эти повторы сделаны намерено, и не являются результатом небрежного редактирования.
Раздел 1.1: Ранняя история.
Сейчас трудно определить, когда точно был создан первый преобразователь и какую форму он имел. Самым первым бинарным ЦАП, известным авторам этой книги и официально отраженным в документах, является гидравлический ЦАП, а не электронный. В Турции, во времена господства Оттоманской империи, существовала проблема в сфере общественного водоснабжения. Для измерения при раздаче воды использовались сложные системы. Одна из этих систем показана на рисунке 1.1 и датирована 18 веком. Примером реальной водораздачи, использующей эту измеряющую систему была дамба Махмуда II, построенная в начале 19 века вблизи Стамбула2. Измерительная система использовала резервуар (на схеме помечен как верхняя, головная цистерна), в которой поддерживался постоянный уровень (соответствующий опорному потенциалу) при помощи водослива. По этому водосливу вода сочилась тонкой струйкой (критерием являлся поток, способный сдвинуть соломинку). Этот пример проиллюстрирован на рисунке 1.1А. Выход воды из головной цистерны контролировался затворами двоичновзвешенных отверстий патрубков, погруженных в воду на 96 мм ниже поверхности воды. Слив из отверстий поступал на выход как показано на рисунке 1.1В. Размеры отверстий патрубков соответствовали потоку двоично кратному основной единице 1 lüle (равной 36 л/мин или 52 м³/день). Патрубок, соответствующий восьми lüle назывался “sekizli lüle”, четырем lüle- “ dörtlü lüle ”, ¼ lüle-“kamuş”, одна восьмая lüle называлась “masura”, а одна тридцать вторая lüle - “çuvaldiz”. Более детально измеряющая система на основе двоично-взвешенных патрубков показана на рисунке 1.1С. Функционально эта система представляет собой 8-разрядный ЦАП, с ручным (без сомнения, не цифровым) вводом и «мокрым» выходом, и, вероятно является самым древним ЦАП в мировой истории.
Возможно, существуют и другие примеры ранних преобразователей, но сейчас мы обратим наше внимание на те, что базируются на электронных технологиях.
Рисунок 1.1: Двоично-взвешенная система измерения воды, относящаяся к началу 18 века.
Вероятно, единственной самой значительной движущей силой развития электронных преобразователей на протяжении многих лет была система коммуникаций. Телеграф привел к созданию телефона и формированию Bell System. Распространение телеграфа и телефона и возросшее требование к емкости каналов связи привели к необходимости уплотнения более чем одного канала в одну пару медных проводов. К этому времени временное уплотнение каналов (TDM) достигло определенной популярности, а частотное уплотнение каналов (FDM), основанное на использовании различных несущих частот, получило уже широкое применение.
Импульсно-кодовая модуляция (PCM) стала причиной переключения всеобщего внимания на преобразователи, и с этого момента началось их эволюционное развитие .
Материал для последующих разделов был взят из многих источников, но наиболее известным и значимым является классическая работа К.В Каттермоула: Принципы импульсно-кодовой модуляции,1969 года3. В ней отражен не только исторический материал по ИКМ, но и по истории создания преобразователей. Кроме того, помимо исторического материала, книга содержит прекрасный обучающий материал по теории дискретизации, по типам архитектур преобразователей, и многим другим темам, относящимся к тематике повествования. Приведена обширная библиография, содержащая важные публикации и патенты, определившие основные достижения. Кроме книги Каттермоула, внимание автора привлекла серия книг, опубликованных Белл Системз под одним заголовком: A History of Engineering and Science in the Bell System4-8. Эти книги от Белл Системз являются замечательным источником для получения дополнительного материала, относящегося к сфере коммуникаций.
Ранние годы: от телеграфа до телефона
Согласно Каттелмоулу3, ранние упоминания об электрическом телеграфе относятся к 1753 году, но реальное его развитие началось в период 1825-1875 годов. Были исследованы различные идеи о двоичных и троичных числах, коды с длиной, обратно пропорциональной вероятности появления (Шиллинг,1925), рефлексный двоичный код (Элиша Грей, 1878 - сейчас носит название Код Грея ), цепные коды (Baudot, 1882). С распространением телеграфа, возникла необходимость в увеличении емкости и уплотнении более одного канала в одной паре проводов. Рис. 1.2 показывает типичный телеграфный ключ и некоторые вехи истории телеграфа.
• Предложение использования телеграфа: начало в 1753
• Основные достижения в развитии телеграфа: 1825-1875
• Изобретение различных двоичных кодов
• Эксперименты по уплотнению для увеличения емкости канала
• Изобретение телефона: в 1875 году А.Г. Бэлл, работая над проектом уплотнения телеграфной линии, изобрел телефон (всего на два часа позже Бэлла подал заявку на изобретение телефона другой американец И. Грей. Патент выдали Бэллу. Примечание редактора.)
• Эволюция:
•Телеграф: цифровой
•Телефон: аналоговый
•Частотное уплотнение канала (FDM): аналоговое
•Импульсно-кодовая модуляция (PCM): назад к цифровой
Рисунок 1.2 О телеграфе
Изобретение телефона в 1875 году Александром Грехэмом Бэллом9,10 было, вероятно, самым значительным событием во всей истории системы коммуникаций. Интересно отметить, что Бэлл в действительности экспериментировал с системой уплотнения телеграфных линий (Бэлл называл эту систему тональный телеграф), когда он обнаружил возможность передачи голоса в качестве аналогового сигнала.
На рисунке 1.3 представлена схема из оригинала патента Бэлла, в которой отражены его основные предложения относительно телефона. Вибрации звука, воздействующие на передатчик А заставляют вибрировать мембрану а. Вибрация а вызывает вибрацию якоря с, которая создает ток в проводе е при помощи электромагнита b. Ток в е создает соответствующие колебания магнитного поля в электромагните f, таким образом заставляя вибрировать мембрану приемного устройства i.
Рисунок 1.3 Телефон
Распространение телефона вызвало острую необходимость в увеличении емкости канала путем его уплотнения. Необходимо отметить, что исследования по возможности уплотнения в телеграфных линиях привели к зарождению информационной теории. Теория временного уплотнения (TDM) была предложена в начале 1853 года малоизвестным американским изобретателем М.Б. Фармером, а реализована в 1875 году J.М.Е. Baudot при помощи вращающихся механических коммутаторов, использованных в качестве мультиплексоров.
В 1903 году в патенте Уиларда М.Майнера11 были описаны эксперименты, использующие электромеханические вращающиеся коммутаторы этого типа для уплотнения нескольких аналоговых телефонных разговоров в одной паре проводов, как представлено на рисунке 1.4. Процитируем его патент, в котором он говорит, что каждый канал должен иметь отсчёты:
«…на частоте или периодичности, как приближения к частоте или на средней частоте чистых или более сложных вибраций, которые являются характеристиками голоса или артикуляции речи…, при таких высоких прерываниях как 4320 в секунду, я обнаружил, что при этом темпе весь действительный тембр и индивидуальность могут быть успешно воспроизведены в приемном инструменте. ... я также получил положительные результаты, которые можно рассматривать как коммерческие, при использовании темпа прерываний, схожего с говорением и составляющего 3500 в секунду, практически это темп самой высокой ноты, которая характеризует гласные звуки.»
При использовании более высокой частоты отсчётов Майнер не обнаружил значительного улучшения в качестве передаваемой речи, возможно, это было вызвано ошибками в его достаточно несовершенной системе. После Майнера никто не занимался дальнейшими исследованиями в сфере дискретизации и временного уплотнения. Возможной причиной этого можно назвать отсутствие адекватных электрических компонентов, позволяющих провести практические эксперименты. Сфера частотного уплотнения была достаточно изучена и имела необходимые компоненты.
Рис. 1.4 Мультиплексор и демультиплексор телефонных каналов. Одно из ранних исследований критерия, определяющего темп отсчётов.
Изобретение импульсно-кодовой модуляции (РСМ).
Импульсно-кодовая модуляция впервые была раскрыта в относительно невразумительном патенте, опубликованном Полом М Рейни (Paul M Rainey) из Western Electric в 192112. В патенте описывается метод передачи факсимильной информации в закодированной форме по телеграфной линии с применением 5-разрядной ИКМ. На рисунке 1.5 представлена иллюстрация из патента (для большей ясности автором добавлены пояснения к оригиналу).
Рейни предложил просвечивать сфокусированным лучом света прозрачность материала, который необходимо передать. На другой стороне транспаранта нужно установить фотоэлемент для сбора света, который создаст ток пропорциональный интенсивности света. Ток в свою очередь отклоняет гальванометр, что приводит в движение другой луч света, активирующий один из 32 отдельных фотоэлементов, в зависимости от отклонения гальванометра. Выход с каждого отдельного фотоэлемента замыкает соответствующее реле. Выходы от 5 реле объединены таким образом, что вырабатывают определенный код, присущий местоположению фотоэлемента. Таким образом, цифровой код генерируется из M-hot out of 32, что напоминает современный параллельный flash-преобразователь. Выходной сигнал с этого простого электро-оптико-механичесого параллельного преобразователя передается последовательно с использованием вращающегося элекро-механического коммутатора, называемого распределителем.
Рисунок 1.5 Открытие ИКМ: Пол Рейни, «Факсимильная телеграфная система», Патент США 1,608,527 от 20 июля 1921, опубликован 30 ноября 1926
Данные передаются последовательно, получаются и преобразуются в параллельный формат при помощи второго распределителя и ряда реле. Полученный код определяет комбинацию из реле, которые должны приводиться в действие. Выходы реле подсоединяются к соответствующим контактам резистора, который подключен последовательно с принимающей лампой. Значение тока в принимающей лампе находится в зависимости от полученного кода. Как мы видим, интенсивность тока прямо пропорциональна полученному коду, что является примером цифро-аналогового преобразования. Свет с принимающей лампы фокусируется на фоточувствительной пластине, таким образом исходное изображение воспроизводится, пройдя квантованную форму.
Патент Рейни иллюстрирует несколько важных понятий: квантование с использованием параллельного АЦП, передача последовательных данных, восстановление квантованных данных при помощи ЦАП. Эти идеи являются основополагающими для ИКМ. Однако, его изобретение не вызвало особого интереса в то время и, фактически, было забыто инженерами компании Бэлл Систем. Его патент был обнаружен спустя много лет, когда появились и другие патенты на изобретение ИКМ.
Математическое обоснование ИКМ.
В середине 20х годов 20 века Гарри Найквист изучал телеграфные сигналы. Его целью было определить максимальную частоту сигнала, которая может проходить по каналу с определенной полосой пропускания. Результаты его исследований были обобщены в двух классических трудах, выпущенных в 1924 году13 и в 192814 соответственно.
В своей модели телеграфной системы он определил свой сигнал как:
уравнение 1.1.
В уравнении f (t)-базисная форма импульса, ak- амплитуда k-го импульса, T-время между импульсами. Телеграф постоянного тока подходит под эту модель, при условии, что f(t) - это прямоугольный импульс с продолжительностью T, а ak равняется 0 или1.
Простая модель изображена на рисунке 1.6. Частота сигнала ограничена полосой частот (W) передающего канала.
Рисунок 1.6 Классическая теорема Гарри Найквиста
Его вывод заключался в следующем: Частота импульсов, 1/Т, не может быть увеличена за пределы 2W импульсов в секунду. Другими словами его заключение звучит так: если сигнал дискретизирован мгновенными отсчётами с постоянными интервалами, частота которых по крайней мере в 2 раза превышает самое высокое значение частоты сигнала, то в результате выборка содержит всю информацию об исходном сигнале. Это понятно из рисунка 1.6, где каждый из отфильтрованных прямоугольных сигналов представлен в виде sinx/x характеристики. Временной отклик на импульс типа sinx/x идеального ФНЧ с полосой пропускания W имеет нули в интервалах, равных 1/2W. Следовательно, не будут наблюдаться помехи от соседних импульсов, если выходная волна дискретизирована в точках, указанных на схеме, при условии Т≥ 1/2 W (или более привычно fs≥2W), и амплитуда индивидуальных импульсов может быть однозначно восстановлена.
За исключением обобщающей статьи, написанной Хартли в 1928 году15, до 1948 года не было дополнительных значимых публикаций на тему дискретизации. В 1948 году вышли в свет классические работы, написанные Шенноном, Беннеттом, Оливером16-19, в которых авторы окончательно обосновали теорию ИКМ.
Библиография этих трудов приведена в ссылке рис. 1.7.
Рисунок 1.7 Библиография трудов по математическому базису ИКМ
Патенты Алека Харли Ривза по ИКМ.
До 1937 года частотное уплотнение (FDM), основанное на электронно-вакуумной технологии, широко использовалось в телефонной индустрии при передаче на дальние расстояния. Однако, шум и искажения были ограничивающими факторами, влияющими на дальнейшее расширение возможностей этих систем. Несмотря на то, что в микроволновых радиолиниях полосы пропускания были шире, дополнительный шум и искажения затрудняли их использование для передачи частотно-уплотненных сигналов.
В начале своей карьеры, в 1920-х, Алек Харли Ривз изучал технологию аналогово-временного преобразования, основанного на использовании времяимпульсной модуляции (PTM). Фактически он был первым, кто начал использовать счётчики для точного определения временной развертки, используя бистабильные мультивибраторы, изобретенные за несколько лет до этого Экклесом и Джорданом. Во время импульсной модуляции, амплитудой импульса является постоянная величина, а аналоговая информация содержится в определенном положении импульсов во времени. Эта технология имела более высокую помехоустойчивость, чем строго аналоговая передача.
Ривз был близок к изобретению системы, которая произвела бы революционные изменения в системе коммуникации, но тогда он не пошел дальше от достигнутого им в этой области.
Существовала необходимость в системе, имеющей шумоустойчивую характеристику подобно той, что существовала в телеграфе. Поэтому в 1937 году Ривз, работая в Парижской лаборатории Международной Телефонно-Телеграфной корпорации, переосмыслил импульсно-кодовую модуляцию. Самый первый патент по ИКМ был получен Ривзом в Париже. Но сразу же после этого последовали подобные патенты в Англии и США, в которых упоминался Ривз как изобретатель20. Эти патенты всесторонне раскрывали тему: (1) основные принципы квантования и кодировки, (2) выбор разрешения, соответствующего шуму и полосе пропускания передающего канала, (3) передача сигналов в цифровой форме последовательно, параллельно и как модуляция несущих, (4) базовая конструкция на основе счётчиков, необходимых для 5-разрядных ЦАП и АЦП. Отличие этого патента Ривза от его предыдущего патенте (1926) состоит в том, что он использовал в своих разработках все преимущества существующей электронно-вакуумной технологии ЦАП и АЦП. Эти изобретения Ривза заслуживают более детально рассмотрения, так как они являются первыми документально зафиксированными электронными преобразователями. Его техника АЦП (рисунок 1.8) использует дискретные импульсы для выборки отсчётов из аналогового сигнала, установку R/S триггера и одновременный старт контролируемое пилообразное напряжение. Пилообразное напряжение сравнивается с входным сигналом, и в момент их совпадения вырабатывается сигнал, который сбрасывает R/S тригер. Выходной сигнал с триггера является импульсом, ширина которого прямо пропорциональна аналоговому сигналу в момент отсчёта. Этот импульс с импульсно-широтной модуляцией управляет стробируюемым генератором.Число выходных импульсов со стробируюемого генератора представляет собой квантованное значение аналогового сигнала. Эту последовательность импульсов можно легко преобразовать в бинарное слово путем активации счетчика. В системе Ривза использовался задающий генератор с частотой 600 кГц и 100:1 делитель, вырабатывающий 6-кГц импульсы отсчётов. Система использует 5-разрядный счетчик на 31 отсчёт (из 100 импульсов, приходящихся на каждый импульс отсчётов), таким образом представляя сигнал полной шкалы.
Рисунок 1.8 5-разрядный АЦП Ривса с последовательным счётом.
ЦАП использует подобный счетчик и источник тактовых импульсов как представлено на рисунке 1.9. Полученный бинарный код сначала загружается в счетчик и R/S триггер устанавливается в «1». Затем счетчик начинает считать от низшего к высшему, используя тактовые импульсы. Когда счетчик переполняется и достигает 00000, источник тактовых импульсов отсоединяется, поскольку R/S триггер обнуляется. Число импульсов, посчитанных кодирующим счетчиком представляет собой дополнение входящего слова. Выходным сигналом с триггера является ШИМ сигнал, чье аналоговое значение представляет собой дополнение входного бинарного слова. Ривз использовал простой ФНЧ для получения аналогового сигнала от ШИМ выхода. Фазовая инверсия в ЦАП с легкостью корректируется или в логике или в усилителе, расположенных далее.
Рисунок 1.9 5-разрядный ЦАП Ривса с последовательным счётом.
Патенты Ривза раскрывают все основные составляющие ИКМ: отсчёты, квантование, кодирование дискретных отсчётов для последовательной, параллельной, фазо-модулированной и других методов передачи. Для восстановления исходного аналогового сигнала Ривз предложил декодер на принимающем конце. Интересно отметить, что, несмотря на значимость своей работы, после опубликования патентов, Ривз направил свое внимание на передачу речи в коротковолновом диапазоне с использованием импульсно-амплитудной, широтно-импульсной, импульсно-позиционной модуляций, вместо того, чтобы более глубоко изучить возможности ИКМ.
ИКМ и Bell System: вторая мировая война, и до 1948 года.
По договору о взаимном лицензировании с Международной Телефонной и Телеграфной корпорацией инженеры телефонной лаборатории Бэлла пересмотрели исследования Ривза в отношении описания цепей и начали свои разработки в сфере ИКМ технологии. Начав свои исследования в 1940 году и продолжая их в течении второй мировой войны, главным образом посвящали их секретной передаче речи, что сделало изучение ИКМ обязательным.
В 1940 году разработчики лаборатории Бэлла начали работу по исследованию системы секретности речи получившее название “Project-X”, более детальное описание указано в6 (стр.296-317). В этих исследованиях используется сложная техника, основанная на электронно-вакуумной технологии. При этом использовался разработанный ранее «вокодер», технология ИКМ, и уникальная техника скремблирования данных (защита от несанкционированного доступа, прим. ред.), использующая грамзапись с содержанием электронного кодового «ключа» к кодам. Система была спроектирована в Бэлл и запущена в производство компанией Вестерн Электрик в конце 1942 года. К апрелю 1943 года несколько терминалов было закончено и установлено в Вашингтоне, Лондоне и Северной Африке. Вскоре после этого дополнительные терминалы были установлены в Париже, на Гавайях, в Австралии и на Филиппинах.
К концу войны несколько групп инженеров в Бэлл занимались изучением ИКМ; однако, большинство из разработок военного времени не были опубликованы и долгое время в период послевоенного времени, т к они имели гриф секретности. Труды Х.С.Блэка, Д.О.Эдсона и В.М.Гуддалла были изданы в 1947-194821-23. Они акцентировали свое внимание на системе шифровки речи, основанной на технике ИКМ. В результате их исследований родилось большое количество важных открытий. Система ИКМ , которая оцифровывает полную ширину голосового спектра в 5-разрядной системе, со скоростью дискретизации 8kSPS (8 тысяч отсчётов в секунду), используя при этом АЦП последовательного приближения ( которые были описаны Эдсоном и Блэком21,22).
Опытная система ИКМ В.М.Гудалла, основана на схожей технике и описана в его классическом труде. Среди наиболее важных разработок, явившихся результатом этой работы стали: ЦАП последовательного приближения, кодирующая электронная трубка, декодер Шэннона-Рэка, логарифмический отсчёт уровней квантования (компандинг) и практическое доказательство возможности использования ИКМ. Результаты исследований были обобщены в 1948 году в статье, написанной Л.А.Мичамом и Е.Петерсоном, где описывалась опытная система использования 24-канальной ИКМ24. В ссылке рис. 1.10 обобщены результаты исследований ИКМ, проведенные лабораторией Белл в 1948 году.
• Секретная система шифровки голоса с использованием ИКМ -“Project-X”, 1940-1943
• 5-разрядный, АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации 8 kSPS
• логарифмическое квантование речи (компандирование)
• кодирующая электронная трубка, 7-разрядная, с частотой дисктретизации 100 kSPS
• декодер «Шеннона-Рэка» (ЦАП)
• удачная демонстрация опытных терминалов ИКМ
• теоретические положения ИКМ, расширенные и опубликованные Шенноном
• изобретение германиевого транзистора в 1947 году
Рисунок1.10: Исследования лаборатории Белл в сфере ИКМ, проведенные в период второй мировой войны (и до 1948 года).
Важным достижением в области АЦП технологии в этот период стало изобретение кодирующей электронной трубки. Трубка, описанная Р.В.Сирзом в его работе25, дискретизировала со скоростью 96 kSPS, с разрешением в 7-бит. Концепции электронно-лучевого кодера для 4-разрядного устройства отражены на рисунке 1.11. Предшествующие аналоги использовали последовательный режим (рис. 1.11А). Аналоговый сигнал сначала проходил через устройство выборки- хранения и во время интервала «хранения» луч разворачивался в трубке горизонтально. При этом У- отклонение соответствует значению аналогового сигнала от устройства выборки-хранения. Теневая маска закодирована для получения соответствующего бинарного кода, зависящего от вертикального отклонения. Код регистрируется коллектором, и биты вырабатываются в последовательном формате. Позже в трубках начали использовать ленточный луч (см рис. 1.11В), создав первый электронный flash преобразователь, выдающий параллельно выходное слово.
Рисунок 1.11 Кодирующая электронная трубка
Ранние электронно-вакуумные кодеры использовали бинарно-кодирующую теневую маску. Существовали большие погрешности если луч распространялся на 2 соседних кода и освещал оба из них. Иллюстрация этого явления приведена на рис 1.12А. Горизонтальная линия представляет развертку луча в точке перехода (перехода между кодом 0111 и кодом 1000). Например, ошибка в самом старшем значащем разряде (MSB) состовит ½ шкалы. Подобные ошибки были минимизированы путем установки горизонтальных чувствительных проволочек по ширине границ каждого уровня квантования. Если луч первоначально падает на одну из проволок, небольшое напряжение добавляется к напряжению вертикального отклонения, которое сдвигает луч от переходной зоны.
Рисунок 1.12 Теневая маска кодирующей электронной трубки для двоичного кода и кода Грея
Ошибки бинарных теневых масок были устранены путем использования теневой маски с кодом Грея, пример которой приведен на рисунке 1.12В. Настоящее его название звучит как «рефлексный бинарный код»; он был изобретен в 1878 Элишем Греем и впоследствии пересмотрен Фрэнком Греем в 1949 году26. Достоинство кода Грея состоит в том, что соседние уровни отличаются друг от друга на одну цифру в соответствующем слове, кодируемом с помощью кода Грея. Следовательно, если есть ошибка в определении разряда для определенного уровня, то соответствующая ошибка после преобразования в бинарный код будет всегда соответствовать младшему значащему биту (LSB). В случае попадания луча в середину шкалы, меняется старший значимый бит, но ощибка только 1 LSB . Интересно отметить, что подобный феномен может происходить в современных Flash преобразователях, использующих компараторы, вследствие метастабильности компаратора. При небольшом перевозбуждении существует определенная вероятность того, что компаратор будет вырабатывать неверное решение на своем выходе с защелкой , создавая тот же самый эффект при использовании техники прямого бинарного кодирования. Во многих случаях код Грея или коды «псевдо Грея» используются для декодировки выходных данных компартора перед окончательным преобразованием в бинарно-кодовый выходной сигнал (смотрите главу 3 с более детальным описанием архитектурных конструкций).
Несмотря на множество механических и электрических проблем, относящихся к центрированию луча, технология кодирования на электронной трубке достигла своего пика в середине 1960-х годов с использованием экспериментального 9-разрядного кодера со скоростью дискретизации равной 12 MSPS27. Только открытие в области технологий полупроводниковых АЦП сделало существование преобразователей, основанных на технологии электронной трубки ненужным.
ОУ и регенеративные импульсные ретрансляторы: от электронно-вакуумных до полупроводниковых устройств
За исключением ранних относительно малоэффективных электромеханических усилителей5, развитие электронных усилителей началось с изобретения электронно-вакуумной технологии Ли де Форестом в 1906 году28,29. Иллюстрация из патента де Фореста приведена на рис 1.13.
Рисунок 1.13 Изобретение электронно-вакуумной лампы
К 1914 году электронно-вакуумные усилители были внедрены на телефонном заводе. Развитие усилителей всегда было особенно важным для разработки преобразователей данных, начиная с этих ранних электронно-вакуумных схем. Ключевым этапом развития этой технологии было изобретение усилителя с обратной связью Гарольдом С.Блэком в 192730,31,32. На протяжении второй мировой войны продолжалась работа по исследованию цепей усилителей; много важных разработок было сделано инженерами лаборатории Бэлл (более полная история исследований ОУ дана в1). На рисунке 1.14 дается схема усилителя с обратной связью, взятая из поздней статьи Блэка.
Рисунок 1.14 Усилитель с обратной связью Гарольда Блэка, 1927
Изобретение германиевого транзистора в 1947 году33,34,35 явилось толчком для развития как ИКМ, так и других электронных систем. Для практического использования ИКМ необходимо было установить восстанавливающие ретрансляторы периодично на линиях передачи. До изобретения транзистора, удачно спроектированные вакуумные ретрансляторы несколько лет применялись в телеграфе и телефонной связи, но испытывали серьезные проблемы, касающиеся их надежности. Однако, полупроводниковые восстанавливающие ретрансляторы, разработанные Л.Р.Рэтхоллом в 1956, привели фазу исследования ИКМ к впечатляющему заключению36. Этот ретранслятор демонстрировался на опытной кабельной системе с использованием ретрансляционного интервала в 2.3 мили с кабелем 19 калибра, а также на 0.56 мили с кабелем 32 калибра. Схематический чертеж ретранслятора представлен на рис. 1.15.
В ретрансляторе Рэтхолла использовался германиевый транзистор, разработанный в Бэлл и внедренный Вестерн Элекрик. Кремниевый транзистор был изобретен в 1954 Гордоном Тилом из Техас Инструментз. Он получил широкое коммерческое применение, вызванное увеличенным температурным диапазоном эксплуатации и надежностью. В конечном итоге, изобретение интегральых схем в 195837,38 и последующего планарного процесса в 195939 установило новую эпоху дальнейшего развития ИКМ. Эти базовые полупроводниковые исследования обобщены в ссылке рис. 1.16 и описаны более детально в главе 4 данной книги.
Рисунок 1.15 Твердотельный ИКМ ретранслятор Л.Р.Рэтхолла, 1956
• изобретение в 1947 году германиевого транзистора инженерами лаборатории Белл: Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Вильям Шокли
• кремниевый транзистор: Гордон Тил, Тексэс Инструментс, 1954
• Рождение интегральной схемы:
• Джек Килби, Тексэс Инструментс, 1958 (использовал соединяющие провода для связи компонентов в ИС)
•Роберт Нойс , Фэирчайлд Семикондактор, 1959 (использовал металлизацию для межсоединений).
Рисунок 1.16 Ключевые достижения в развитии твердотельной технологии
C изобретением ретранслятора Рэтхолла в 1956 году, стало очевидным, что ИКМ может эффективно использоваться для увеличения количества голосовых каналов на существующих медных кабельных парах. Это было особенно заманчиво для крупных городов, где многие передающие каналы были полностью заполнены. Многие из этих пар были оборудованы согласующими катушками на расстоянии 1.8 км друг от друга для улучшения чувствительности в голосовой полосе. Возникало естественное желание заменить согласующие катушки полупроводниковыми ретрансляторами и увеличить таким образом емкость с 1 до 24 каналов, используя ИКМ.
По этой причине в лаборатории Белл было принято решение разработать высокочастотную систему связи, основанную на ИКМ. Прототип 24-канальной системы был спроектирован и проверен в 1958 и 1959 на линии между Саммитом и Нью Джерси и Саут Ориндж и Нью Джерси. Эта система, названная высокочастотной системой связи Т-1, передавала 24 голосовых канала и использовала 1.544-МГц последовательность импульсов в биполярном коде. Система использовала 7-разрядное логарифмическое кодирование с 26 dВ компандированием и позже начала использовать 8-разрядное кодирование. Полупроводниковые ретрансляторы были расположены на интервалах 1.8 км, в соответствии с расположением существующих согласующих катушек. Первая линия Т-1 была пущена в работу в 1962 году, а к 1984 году в США существовало более 200 миллионов км линий связи Т-1.
Часть 1.2: Преобразователи 1950-х и 1960-х.
Уолт Кестер
Коммерческие преобразователи: 1950-е годы.
До середины 1950-х годов , преобразователи были уже основательно развиты и использовались в специализированных сферах применения, например, таких как ИКМ лаборатории Белл и система шифрования сообщений, использовавшаяся в период второй мировой войны. Из-за применения технологии вакуумных трубок, преобразователи были очень дорогими, громоздкими и имели высокое энергопотребление. Практически они не могли иметь коммерческого использования.
Цифровой компьютер был важной движущей силой коммерческого развития АЦП. Проект по созданию компьютера ENIAC начался в 1942 году и был представлен широкой публике в феврале 1946 года. Проект ENIAC привел к созданию первого коммерческого цифрового компьютера UNIVAC, разработанного Eckert and Mauchly. Первый UNIVAC был доставлен в United States Census Burea в июне 1951.
Применение в военной сфере, например, такое как вычисление баллистической траектории, стимулировало создание цифрового компьютера. Но время шло и интерес к цифровым вычислениям возрастал, так как их можно было применить и в других областях: анализ данных, промышленные процессы управления, а отсюда возросла необходимость в использовании преобразователей. В 1953 году Бернард М Гордон, пионер в области преобразования данных, основал компанию под названием Epsco Инжениеринг в Конкорде МА, где он сам проживал. Гордон раньше работал над созданием компьютера UNIVAC и осознал необходимость создания коммерческих преобразователей. В 1954 году Эпско представил 11-разрядный АЦП на основе вакуумной трубки, со скоростью дискретизации 50-kSPS. Этот преобразователь считается первым коммерческим устройством данного типа.
Преобразователь «Datrac», выпущенный Эпско потреблял 500 Ватт, был спроектирован для стоечного монтажа (19″х15″х26″), и был продан за сумму 8000 - 9000 долларов1. Фотография этого устройства приведена на рисунке 1.17. Datrac, был первым коммерчески доступным АЦП, использовавшим сдвигово-программируемую архитектуру последовательного приближения. Гордон получил патент на логику, необходимую для выполнения алгоритма преобразования2. Из-за того, что в нем имелась функция выборки-хранения, Datrac от Эпско был первым коммерческим АЦП, подходящим для оцифровки сигналов переменного тока, таких как речь.
В этот же период, несколько других компаний производили низкоскоростные АЦП, подходящие для применения при цифровых замерах вольтметром. Также существовали оптические преобразователи, основанные на кодирующих дисках, для измерения дуговой координаты вала в авиационных приложениях1. С середины 1950 до конца 50-х в преобразователях использовались комбинации вакуумных трубок, полупроводниковых диодов и транзисторов для осуществления процесса преобразования. Следующие компании занимались разработкой преобразователей: Эпско, Нон-Линеар Системз, J B Rea, Adage. Для более
глубокого рассмотрения истории развития преобразователей в 1950-х вы можете обратиться к трудам указанным в1,3-6.
Рисунок 1.17 11-разрядный 50-kSPS АЦП на электронной вакуумной трубке DATRAC, 1954.
История развития преобразователей: 1960-e
С середины 1950-х до начала 1960-х, вакуумные трубки заменялись на транзисторы при проектировании электронных схем, тем самым открывая все новые возможности для создании электроники на основе технологии преобразования данных. Как было указано выше, кремниевый транзистор вызвал интерес к полупроводниковым разработкам. Постоянно возрастал интерес к устройствам преобразования данных. Об этом можно судить на основании двух обзорных статей, опубликованных в 1964 и 1967 годах5,6. Так как эти товары были в основном неизвестны новым клиентам, были предприняты усилия для определения технических характеристик и необходимых условий для их проверки7-16. Универсальный компьютер IBM-360 и компактные полупроводниковые компьютеры (такие как серия DEC PDP, запущенные в 1963 году) усилили интерес к приложениям анализа данных. Другими стимулами развития преобразователей в 1960-х стали: промышленный процесс управления, измерения, ИКМ, военные системы.
В 1960-х в Бэлл Лаб. продолжались разработки по проектированию высокоскоростных преобразователей (9-разрядный, со скоростью дискретизации 5 MSPS) для ИКМ применения17; военный отдел Бэлл Лаб. начал работу над созданием «железа» и программного обеспечения для системы антибаллистической ракеты (anti-ballistic missile, ABM)
В 1958 году армия США начала разработку системы противобаллистической ракеты Найк-Зевс (Nike-Zeus), за проектирование «электронного железа» отвечала Бэлл Лаб. Эта программа в 1963 году была заменена на Найк-Х. Это была первая программа, предложившая цифровой управляемый фазированный радар для отслеживания тактических и стратегических ракет. Цель этой системы заключалась в перехвате и уничтожении приближающихся к США советских ядерных ракет и защите населения страны.
В 1967 году президент Линдон Джонсон и министр обороны Роберт Мак Намара пересмотрели ABM программу и заменили название на Сентинэл (часовой). В основном эта система использовала то же «железо», что и Найк-Х, но определение цели с Советского Союза изменилось на Китай, где была продемонстрирована ядерная мощь. Эта программа спровоцировала большую волну всеобщего протеста, когда стало ясно, что размещение ядерных ракет-перехватчиков будет сосредоточено рядом с городами, которые они и собираются защищать.
Ричард Никсон стал президентом в 1969, и из-за политических причин ему пришлось снова изменить цель и название АBM программы, но система продолжала использовать то же «железо». Программа стала называться Сэйфгард (Safegard) и ее целью стало защитить Minuteman ICBM поля, базу стратегического авиационного командования, Вашингтон. Систему, включающую тактические и стратегические ракеты, планировалось разместить в 12 пунктах.
Программа Сейфгард была вовлечена в советско-американские переговоры об ограничении стратегических вооружений, и значительно сократилась. В конечном счете только один пункт базирования был построен в Гранд Форкс, Северная Дакота, а 1 октября 1975 года он стал рабочим. 2 октября, 1975 года палата представителей проголосовала за отмену программы Сейфгард.
Ключевым элементом систем Найк-Х/Сентинэл/Сейфгард было использование цифровых технологий для управления фазированным радаром, для выполнения команд и для управления другими заданиями. При этом использовалась резисторно-транзисторная логика (RTL), вмонтированная в гибридный корпус. Для системы было важно использовать высокоскоростные АЦП, необходимые для приемного устройства фазированного радара. Ранние прототипы для необходимого 8-разрядного 10-MSPS АЦП были разработаны инженерами Бэлл Лаб. Джоном М Eubanks и Робертом К Бедингфильдом в период между 1963 и 1965. В 1966 эти два пионера высокоскоростного преобразования ушли из Бэлл Лаб. и основали Компьютер Лаб. в Greensboro, NC, и выпустили коммерческую версию этого АЦП.
8-разрядный, 10-MSPS преобразователь был закреплен в стойке, содержал свое собственное линейное питание, потреблял 150 Ватт, и продавался за 10 000 долларов (см. рис. 1.18).Такая же технология использовалась для изготовления версий 9-разрядного с 5-MSPS и 10-разрядного с 3-MSPS. Хотя в следующих поколениях разработок Компьютер Лаб. будет использовать преимущественно модульные ОУ ( Computer Labs OA-125 and FS-125), и ИС, такие как Fairchild μA710/711компараторы, а также 7400 TTL(транзисторно-транзисторную логику), в первых АЦП использовались в основном дискретные компоненты.
Ранние высокоскоростные АЦП, произведенные Компьютер Лаб. в основном использовались для исследований и разработок проектов, связанных с радиолокационным приемником. Следующие компании занимались такими разработками: Raytheon, Джэнерал Электрик, MIT Линкольн Лаб.
В середине 1960-х пионерами в разработке низкоскоростных, на PC- печатных платах и модульных, АЦП были такие компании как: Аналоджик (основанная Бернардом М Горданом), Пасториза Электроникс (основанная Джеймсом Пасториза). В числе других компаний, занимающихся преобразователями были: Adage, Бэрр Браун, Дженерал Инструмент Корп, Радиэйшн Инкорп, Рэдкор Корпорейшн, Бэкман Инструментс, Ривз Инструментс, Тексэс Инструментс, Raytheon Computer, Престон Сайентифик и Зелтекс Инкорп. Большинство преобразователей 1960-х годов имели формат цифровых вольтметров, использовали интегрирующую архитектуру, хотя Аdage представила в начале 60-х 8-разрядный 1-MSPS стробируемый АЦП, Voldicon VF75
Рисунок 1.18 HS-810, 8-разрядный 10-MSPS АЦП Компьютер Лаб. Инкорп., 1966.
В дополнение к широкому распространению схем на дискретных транзисторах, в 1960-е годы стали доступными различные блоки с интегральными схемами, что привело к уменьшению размеров и энергопотребления преобразователей. В 1964 и 1965 Fairchild представила 2 известных ИС- проекта Боба Вайдлара: ОУ µА709 и компаратор µА710/ µА711. Вскоре за ними последовала серия линейных ИС, выпущенных Fairchild и другими производителями. Этот период также ознаменовался появлением 7400-серии с транзисторно-транзисторной логикой (TTL), высокоскоростной эмиттерно-связанной логикой (ECL) и также 4000-серии с логикой CMOS, разработанной RCA в 1968. Кроме того, появились также диоды Шотки, опорные диоды Зенера, полевые транзисторы, подходящие для переключателей, согласованные пары JFETs – все это представляло своего рода строительный материал, необходимый для разработки преобразователей данных.
В 1965 году Рэй Стата и Матт Лорбер основали Analog Devices Inc (ADI) в Кембридже, МА. Первыми продуктами производства стали высокопроизводительные модульные операционные усилители, но в 1969 году ADI приобрела Pastoriza Electronics, лидера в производстве преобразователей, таким образом заложила солидную базу для производства как устройств сбора данных так и линейных устройств.
Pastoriza имела достижения в производстве устройств сбора данных. На рис 1.19 показана фотография 12-разрядного 10µs АЦП общего назначения последовательного приближения выпуска 1969 года, ADC-12U, был продан за 800 долларов. В нём использовалась архитектура последовательного приближения, компаратор µА710, модульный 12-разрядный “Minidac” и 14 корпусов логики 7400-серии, необходимые для осуществления алгоритма преобразования последовательного приближения.
Рисунок 1.19 АЦП-12U, 12-разрядный 10 мкс., последовательных приближений, разработанный отделением Pastoriza ф. Analog Devices
Модуль “Minidac” был построен на основе ИС “quad switch” (четырехпозиционный ключ, подключающий к выходной цепи комбинацию из четырёх токов с значениями, кратными 2п, п = 0,1,2,3. Примечание редактора) (AD550) и тонкопленочной резистивной матрицы (AD850), как показано на рис.1.20. На рис 1.21 детально изображен знаменитый quad switch, запатентованный Джеймсом Пасториза18. Глава 3 данной книги содержит более детальное описание quad switch и других архитектур ЦАП.
Следует отметить, что в ADC-12U для реализации алгоритма последовательного приближения были необходимы 14 корпусов логики. В 1958 году Бернард М. Гордон запатентовал логику реализации алгоритма последовательного приближения19. Вначале 1970-х Advanced Micro Devices и National Semiconductor представили коммерческие ИС, использующие регисторную логику последовательного приближения: 2502 (8-разрядный, последовательный, не расширяемый), 2503 (8-разрядный, расширяемый) и 2504 (12-разрядный, последовательный, расширяемый). Они были специально разработаны для выполнения регистровых функций и функций управления для АЦП последовательного приближения. Они стали стандартными строительными элементами многих модульных и гибридных преобразователей. В действительности акроним SAR расшифровывается как регистр последовательного приближения (successive approximation register), и отсюда появляется сочетание SAR ADC-АЦП последовательного приближения. Ранее, преобразователи, использовавшие архитектуру последовательного приближения, назывались последовательные кодеры (sequential coders) feedback coders (кодеры с обратной связью), feedback subtractor coders (вычитающие кодеры с обратной связью).
Рисунок 1.20 12-разрядный “MiniDAC”, использующий четырёхпозиционный переключатель токов, тонкоплёночную резистивную схему, источник опорного напряжения и операционный усилитель, 1969.
Рис. 1.21 ЦАП “quad switch” с внешней тонкоплёночной резистивной схемой.
Архитектуры преобразователей.
История развития различных архитектур преобразователей содержится в главе 3 данной книги, здесь мы обобщим главные достижения.
Основной алгоритм процесса преобразования с использованием АЦП последовательного приближения (ранее называвшийся - вычитание с обратной связью) уходит корнями в 1500-е годы к определенным математическим головоломкам относительно определения неизвестного веса путем минимального числа последовательных взвешиваний20. Цель данной проблемы заключалась в определении наименьшего числа взвешиваний, которое будет необходимо для взвешивания на весах целого числа фунтов от 1 lb до 40 lb. Одно решение было найдено математиком Тартагдлия (Tartaglia) в 1556 году, который предложил использовать серию взвешиваний с 1 lb, 2 lb, 4 lb, 8 lb, 16 lb, 32 lb. Этот алгоритм взвешивания аналогичен современному алгоритму последовательного приближения для АЦП. Необходимо уточнить, что это решение позволяет измерить неизвестный вес до 63 lb, а не 40 lb, как предполагалось изобретателем. Данный алгоритм изображен на рис. 1.22, где неизвестный вес составляет 45 lbs. Для демонстрации алгоритма используется аналог чашечных весов. Электронная реализация АЦП последовательного приближения показана на рис. 1.23.
Рисунок 1.22 Алгоритм последовательных приближений АЦП, подобный двоичному взвешиванию.
Рисунок 1.23 Базисная схема АЦП последовательного приближения (вычитающий АЦП с обратной связью).
Интересно отметить, что все фундаментальные архитектуры АЦП, использующиеся в настоящий момент были открыты и опубликованы к середине 1960-х. На рис. 1.24 представлены временные этапы развития АЦП последовательного приближения. На рис. 1.25 указаны этапы развития архитектур высокоскоростных АЦП и на рис. 1.26- подсчитывающий и интегрирующий АЦП. Даже архитектура Σ-Δ АЦП была изучена к этому периоду, этапы развития представлены на рис. 1.27. Более детальная информация по каждой архитектуре и этапы развития рассматриваются в главе 3.
• Алгоритм регистрового последовательного приближения (SAR) берет свое начало в 1500-х
• Ранние АЦП ПП в основном использовали переключаемые источники опорного напряжения, а не внутренние ЦАП (Шеллинг: 1946, Гудолл: 1947)
• Ииспользование внутренних ЦАП вместо переключаемых источников опорного напряжения для реализации процесса преобразования (Кайзер: 1953, Б.Д.Смит: 1953)
• Использование неравномерно взвешенных ЦАП для реализации передаточной функции компандирования (Б.Д.Смит: 1953)
• Первый коммерческий вакуумно-электронный 11-разрядный 50kSPS АЦП ПП (Бернард М. Гордон-Эпско: 1954)
• Разработка специальной логической функции для реализации алгоритма последовательного приближения (Гордон: 1958). Появление популярных логических ИС ПП: 2503, 2504 –произведенных National Semiconductor и Advanced Micro Devices в начале 1970-х
Рисунок 1.24 Обобщение этапов развития АЦП ПП (SAR)
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Последовательное приближение 1946
• Flash (электровакуумные кодеры) 1948
• Bit-per-stage (двоичный и Грея) 1956
• Subranging (субдиапазонные) 1956
• Subranging с коррекцией ошибки 1964
• Pipeline (конвеерные) с коррекцией ошибки 1966
Даты относятся к времени первых публикаций или вы
История преобразователей
Уолт Кестер
Предисловие к главе.
На написание этой главы автора вдохновило исследование истории создания операционных усилителей Уолтом Юнгом в первой главе своей книги: Применение операционных усилителей 1. При раскрытии темы автор ссылается на сотни интересных статей, патентов и т.п. Если рассматривать их все как единое целое, они рисуют картину развития операционных усилителей - начиная с очерка Гарольда Блэка о ранних усилителях с обратной связью и заканчивая современными высокопроизводительными ОУ на ИС.
Мы старались достичь подобного при раскрытии истории создания преобразователей. Рассматривая масштабы этого намерения мы столкнулись с проблемой организации материала. Вместо того, чтобы охватывать весь исторический материал в одной главе, мы часть исторических сведений, относящихся к архитектуре преобразователей, включили в главу 3 (Типы архитектур преобразователей) наряду с описанием отдельных архитектур. Подобно этому, глава 4 (Технологический процесс создания преобразователей) включает большинство значимых событий относящихся к технологическому процессу создания преобразователей. Глава 5 (Тестирование преобразователей) затрагивает основные исторические этапы, касающиеся их тестирования.
При раскрытии сущности каждой главы, нам придется упоминать одни и те же исторические данные несколько раз по ходу повествования, следовательно, читатель должен осознавать, что эти повторы сделаны намерено, и не являются результатом небрежного редактирования.
Раздел 1.1: Ранняя история.
Сейчас трудно определить, когда точно был создан первый преобразователь и какую форму он имел. Самым первым бинарным ЦАП, известным авторам этой книги и официально отраженным в документах, является гидравлический ЦАП, а не электронный. В Турции, во времена господства Оттоманской империи, существовала проблема в сфере общественного водоснабжения. Для измерения при раздаче воды использовались сложные системы. Одна из этих систем показана на рисунке 1.1 и датирована 18 веком. Примером реальной водораздачи, использующей эту измеряющую систему была дамба Махмуда II, построенная в начале 19 века вблизи Стамбула2. Измерительная система использовала резервуар (на схеме помечен как верхняя, головная цистерна), в которой поддерживался постоянный уровень (соответствующий опорному потенциалу) при помощи водослива. По этому водосливу вода сочилась тонкой струйкой (критерием являлся поток, способный сдвинуть соломинку). Этот пример проиллюстрирован на рисунке 1.1А. Выход воды из головной цистерны контролировался затворами двоичновзвешенных отверстий патрубков, погруженных в воду на 96 мм ниже поверхности воды. Слив из отверстий поступал на выход как показано на рисунке 1.1В. Размеры отверстий патрубков соответствовали потоку двоично кратному основной единице 1 lüle (равной 36 л/мин или 52 м³/день). Патрубок, соответствующий восьми lüle назывался “sekizli lüle”, четырем lüle- “ dörtlü lüle ”, ¼ lüle-“kamuş”, одна восьмая lüle называлась “masura”, а одна тридцать вторая lüle - “çuvaldiz”. Более детально измеряющая система на основе двоично-взвешенных патрубков показана на рисунке 1.1С. Функционально эта система представляет собой 8-разрядный ЦАП, с ручным (без сомнения, не цифровым) вводом и «мокрым» выходом, и, вероятно является самым древним ЦАП в мировой истории.
Возможно, существуют и другие примеры ранних преобразователей, но сейчас мы обратим наше внимание на те, что базируются на электронных технологиях.
Рисунок 1.1: Двоично-взвешенная система измерения воды, относящаяся к началу 18 века.
Вероятно, единственной самой значительной движущей силой развития электронных преобразователей на протяжении многих лет была система коммуникаций. Телеграф привел к созданию телефона и формированию Bell System. Распространение телеграфа и телефона и возросшее требование к емкости каналов связи привели к необходимости уплотнения более чем одного канала в одну пару медных проводов. К этому времени временное уплотнение каналов (TDM) достигло определенной популярности, а частотное уплотнение каналов (FDM), основанное на использовании различных несущих частот, получило уже широкое применение.
Импульсно-кодовая модуляция (PCM) стала причиной переключения всеобщего внимания на преобразователи, и с этого момента началось их эволюционное развитие .
Материал для последующих разделов был взят из многих источников, но наиболее известным и значимым является классическая работа К.В Каттермоула: Принципы импульсно-кодовой модуляции,1969 года3. В ней отражен не только исторический материал по ИКМ, но и по истории создания преобразователей. Кроме того, помимо исторического материала, книга содержит прекрасный обучающий материал по теории дискретизации, по типам архитектур преобразователей, и многим другим темам, относящимся к тематике повествования. Приведена обширная библиография, содержащая важные публикации и патенты, определившие основные достижения. Кроме книги Каттермоула, внимание автора привлекла серия книг, опубликованных Белл Системз под одним заголовком: A History of Engineering and Science in the Bell System4-8. Эти книги от Белл Системз являются замечательным источником для получения дополнительного материала, относящегося к сфере коммуникаций.
Ранние годы: от телеграфа до телефона
Согласно Каттелмоулу3, ранние упоминания об электрическом телеграфе относятся к 1753 году, но реальное его развитие началось в период 1825-1875 годов. Были исследованы различные идеи о двоичных и троичных числах, коды с длиной, обратно пропорциональной вероятности появления (Шиллинг,1925), рефлексный двоичный код (Элиша Грей, 1878 - сейчас носит название Код Грея ), цепные коды (Baudot, 1882). С распространением телеграфа, возникла необходимость в увеличении емкости и уплотнении более одного канала в одной паре проводов. Рис. 1.2 показывает типичный телеграфный ключ и некоторые вехи истории телеграфа.
• Предложение использования телеграфа: начало в 1753
• Основные достижения в развитии телеграфа: 1825-1875
• Изобретение различных двоичных кодов
• Эксперименты по уплотнению для увеличения емкости канала
• Изобретение телефона: в 1875 году А.Г. Бэлл, работая над проектом уплотнения телеграфной линии, изобрел телефон (всего на два часа позже Бэлла подал заявку на изобретение телефона другой американец И. Грей. Патент выдали Бэллу. Примечание редактора.)
• Эволюция:
•Телеграф: цифровой
•Телефон: аналоговый
•Частотное уплотнение канала (FDM): аналоговое
•Импульсно-кодовая модуляция (PCM): назад к цифровой
Рисунок 1.2 О телеграфе
Изобретение телефона в 1875 году Александром Грехэмом Бэллом9,10 было, вероятно, самым значительным событием во всей истории системы коммуникаций. Интересно отметить, что Бэлл в действительности экспериментировал с системой уплотнения телеграфных линий (Бэлл называл эту систему тональный телеграф), когда он обнаружил возможность передачи голоса в качестве аналогового сигнала.
На рисунке 1.3 представлена схема из оригинала патента Бэлла, в которой отражены его основные предложения относительно телефона. Вибрации звука, воздействующие на передатчик А заставляют вибрировать мембрану а. Вибрация а вызывает вибрацию якоря с, которая создает ток в проводе е при помощи электромагнита b. Ток в е создает соответствующие колебания магнитного поля в электромагните f, таким образом заставляя вибрировать мембрану приемного устройства i.
Рисунок 1.3 Телефон
Распространение телефона вызвало острую необходимость в увеличении емкости канала путем его уплотнения. Необходимо отметить, что исследования по возможности уплотнения в телеграфных линиях привели к зарождению информационной теории. Теория временного уплотнения (TDM) была предложена в начале 1853 года малоизвестным американским изобретателем М.Б. Фармером, а реализована в 1875 году J.М.Е. Baudot при помощи вращающихся механических коммутаторов, использованных в качестве мультиплексоров.
В 1903 году в патенте Уиларда М.Майнера11 были описаны эксперименты, использующие электромеханические вращающиеся коммутаторы этого типа для уплотнения нескольких аналоговых телефонных разговоров в одной паре проводов, как представлено на рисунке 1.4. Процитируем его патент, в котором он говорит, что каждый канал должен иметь отсчёты:
«…на частоте или периодичности, как приближения к частоте или на средней частоте чистых или более сложных вибраций, которые являются характеристиками голоса или артикуляции речи…, при таких высоких прерываниях как 4320 в секунду, я обнаружил, что при этом темпе весь действительный тембр и индивидуальность могут быть успешно воспроизведены в приемном инструменте. ... я также получил положительные результаты, которые можно рассматривать как коммерческие, при использовании темпа прерываний, схожего с говорением и составляющего 3500 в секунду, практически это темп самой высокой ноты, которая характеризует гласные звуки.»
При использовании более высокой частоты отсчётов Майнер не обнаружил значительного улучшения в качестве передаваемой речи, возможно, это было вызвано ошибками в его достаточно несовершенной системе. После Майнера никто не занимался дальнейшими исследованиями в сфере дискретизации и временного уплотнения. Возможной причиной этого можно назвать отсутствие адекватных электрических компонентов, позволяющих провести практические эксперименты. Сфера частотного уплотнения была достаточно изучена и имела необходимые компоненты.
Рис. 1.4 Мультиплексор и демультиплексор телефонных каналов. Одно из ранних исследований критерия, определяющего темп отсчётов.
Изобретение импульсно-кодовой модуляции (РСМ).
Импульсно-кодовая модуляция впервые была раскрыта в относительно невразумительном патенте, опубликованном Полом М Рейни (Paul M Rainey) из Western Electric в 192112. В патенте описывается метод передачи факсимильной информации в закодированной форме по телеграфной линии с применением 5-разрядной ИКМ. На рисунке 1.5 представлена иллюстрация из патента (для большей ясности автором добавлены пояснения к оригиналу).
Рейни предложил просвечивать сфокусированным лучом света прозрачность материала, который необходимо передать. На другой стороне транспаранта нужно установить фотоэлемент для сбора света, который создаст ток пропорциональный интенсивности света. Ток в свою очередь отклоняет гальванометр, что приводит в движение другой луч света, активирующий один из 32 отдельных фотоэлементов, в зависимости от отклонения гальванометра. Выход с каждого отдельного фотоэлемента замыкает соответствующее реле. Выходы от 5 реле объединены таким образом, что вырабатывают определенный код, присущий местоположению фотоэлемента. Таким образом, цифровой код генерируется из M-hot out of 32, что напоминает современный параллельный flash-преобразователь. Выходной сигнал с этого простого электро-оптико-механичесого параллельного преобразователя передается последовательно с использованием вращающегося элекро-механического коммутатора, называемого распределителем.
Рисунок 1.5 Открытие ИКМ: Пол Рейни, «Факсимильная телеграфная система», Патент США 1,608,527 от 20 июля 1921, опубликован 30 ноября 1926
Данные передаются последовательно, получаются и преобразуются в параллельный формат при помощи второго распределителя и ряда реле. Полученный код определяет комбинацию из реле, которые должны приводиться в действие. Выходы реле подсоединяются к соответствующим контактам резистора, который подключен последовательно с принимающей лампой. Значение тока в принимающей лампе находится в зависимости от полученного кода. Как мы видим, интенсивность тока прямо пропорциональна полученному коду, что является примером цифро-аналогового преобразования. Свет с принимающей лампы фокусируется на фоточувствительной пластине, таким образом исходное изображение воспроизводится, пройдя квантованную форму.
Патент Рейни иллюстрирует несколько важных понятий: квантование с использованием параллельного АЦП, передача последовательных данных, восстановление квантованных данных при помощи ЦАП. Эти идеи являются основополагающими для ИКМ. Однако, его изобретение не вызвало особого интереса в то время и, фактически, было забыто инженерами компании Бэлл Систем. Его патент был обнаружен спустя много лет, когда появились и другие патенты на изобретение ИКМ.
Математическое обоснование ИКМ.
В середине 20х годов 20 века Гарри Найквист изучал телеграфные сигналы. Его целью было определить максимальную частоту сигнала, которая может проходить по каналу с определенной полосой пропускания. Результаты его исследований были обобщены в двух классических трудах, выпущенных в 1924 году13 и в 192814 соответственно.
В своей модели телеграфной системы он определил свой сигнал как:
уравнение 1.1.
В уравнении f (t)-базисная форма импульса, ak- амплитуда k-го импульса, T-время между импульсами. Телеграф постоянного тока подходит под эту модель, при условии, что f(t) - это прямоугольный импульс с продолжительностью T, а ak равняется 0 или1.
Простая модель изображена на рисунке 1.6. Частота сигнала ограничена полосой частот (W) передающего канала.
Рисунок 1.6 Классическая теорема Гарри Найквиста
Его вывод заключался в следующем: Частота импульсов, 1/Т, не может быть увеличена за пределы 2W импульсов в секунду. Другими словами его заключение звучит так: если сигнал дискретизирован мгновенными отсчётами с постоянными интервалами, частота которых по крайней мере в 2 раза превышает самое высокое значение частоты сигнала, то в результате выборка содержит всю информацию об исходном сигнале. Это понятно из рисунка 1.6, где каждый из отфильтрованных прямоугольных сигналов представлен в виде sinx/x характеристики. Временной отклик на импульс типа sinx/x идеального ФНЧ с полосой пропускания W имеет нули в интервалах, равных 1/2W. Следовательно, не будут наблюдаться помехи от соседних импульсов, если выходная волна дискретизирована в точках, указанных на схеме, при условии Т≥ 1/2 W (или более привычно fs≥2W), и амплитуда индивидуальных импульсов может быть однозначно восстановлена.
За исключением обобщающей статьи, написанной Хартли в 1928 году15, до 1948 года не было дополнительных значимых публикаций на тему дискретизации. В 1948 году вышли в свет классические работы, написанные Шенноном, Беннеттом, Оливером16-19, в которых авторы окончательно обосновали теорию ИКМ.
Библиография этих трудов приведена в ссылке рис. 1.7.
Рисунок 1.7 Библиография трудов по математическому базису ИКМ
Патенты Алека Харли Ривза по ИКМ.
До 1937 года частотное уплотнение (FDM), основанное на электронно-вакуумной технологии, широко использовалось в телефонной индустрии при передаче на дальние расстояния. Однако, шум и искажения были ограничивающими факторами, влияющими на дальнейшее расширение возможностей этих систем. Несмотря на то, что в микроволновых радиолиниях полосы пропускания были шире, дополнительный шум и искажения затрудняли их использование для передачи частотно-уплотненных сигналов.
В начале своей карьеры, в 1920-х, Алек Харли Ривз изучал технологию аналогово-временного преобразования, основанного на использовании времяимпульсной модуляции (PTM). Фактически он был первым, кто начал использовать счётчики для точного определения временной развертки, используя бистабильные мультивибраторы, изобретенные за несколько лет до этого Экклесом и Джорданом. Во время импульсной модуляции, амплитудой импульса является постоянная величина, а аналоговая информация содержится в определенном положении импульсов во времени. Эта технология имела более высокую помехоустойчивость, чем строго аналоговая передача.
Ривз был близок к изобретению системы, которая произвела бы революционные изменения в системе коммуникации, но тогда он не пошел дальше от достигнутого им в этой области.
Существовала необходимость в системе, имеющей шумоустойчивую характеристику подобно той, что существовала в телеграфе. Поэтому в 1937 году Ривз, работая в Парижской лаборатории Международной Телефонно-Телеграфной корпорации, переосмыслил импульсно-кодовую модуляцию. Самый первый патент по ИКМ был получен Ривзом в Париже. Но сразу же после этого последовали подобные патенты в Англии и США, в которых упоминался Ривз как изобретатель20. Эти патенты всесторонне раскрывали тему: (1) основные принципы квантования и кодировки, (2) выбор разрешения, соответствующего шуму и полосе пропускания передающего канала, (3) передача сигналов в цифровой форме последовательно, параллельно и как модуляция несущих, (4) базовая конструкция на основе счётчиков, необходимых для 5-разрядных ЦАП и АЦП. Отличие этого патента Ривза от его предыдущего патенте (1926) состоит в том, что он использовал в своих разработках все преимущества существующей электронно-вакуумной технологии ЦАП и АЦП. Эти изобретения Ривза заслуживают более детально рассмотрения, так как они являются первыми документально зафиксированными электронными преобразователями. Его техника АЦП (рисунок 1.8) использует дискретные импульсы для выборки отсчётов из аналогового сигнала, установку R/S триггера и одновременный старт контролируемое пилообразное напряжение. Пилообразное напряжение сравнивается с входным сигналом, и в момент их совпадения вырабатывается сигнал, который сбрасывает R/S тригер. Выходной сигнал с триггера является импульсом, ширина которого прямо пропорциональна аналоговому сигналу в момент отсчёта. Этот импульс с импульсно-широтной модуляцией управляет стробируюемым генератором.Число выходных импульсов со стробируюемого генератора представляет собой квантованное значение аналогового сигнала. Эту последовательность импульсов можно легко преобразовать в бинарное слово путем активации счетчика. В системе Ривза использовался задающий генератор с частотой 600 кГц и 100:1 делитель, вырабатывающий 6-кГц импульсы отсчётов. Система использует 5-разрядный счетчик на 31 отсчёт (из 100 импульсов, приходящихся на каждый импульс отсчётов), таким образом представляя сигнал полной шкалы.
Рисунок 1.8 5-разрядный АЦП Ривса с последовательным счётом.
ЦАП использует подобный счетчик и источник тактовых импульсов как представлено на рисунке 1.9. Полученный бинарный код сначала загружается в счетчик и R/S триггер устанавливается в «1». Затем счетчик начинает считать от низшего к высшему, используя тактовые импульсы. Когда счетчик переполняется и достигает 00000, источник тактовых импульсов отсоединяется, поскольку R/S триггер обнуляется. Число импульсов, посчитанных кодирующим счетчиком представляет собой дополнение входящего слова. Выходным сигналом с триггера является ШИМ сигнал, чье аналоговое значение представляет собой дополнение входного бинарного слова. Ривз использовал простой ФНЧ для получения аналогового сигнала от ШИМ выхода. Фазовая инверсия в ЦАП с легкостью корректируется или в логике или в усилителе, расположенных далее.
Рисунок 1.9 5-разрядный ЦАП Ривса с последовательным счётом.
Патенты Ривза раскрывают все основные составляющие ИКМ: отсчёты, квантование, кодирование дискретных отсчётов для последовательной, параллельной, фазо-модулированной и других методов передачи. Для восстановления исходного аналогового сигнала Ривз предложил декодер на принимающем конце. Интересно отметить, что, несмотря на значимость своей работы, после опубликования патентов, Ривз направил свое внимание на передачу речи в коротковолновом диапазоне с использованием импульсно-амплитудной, широтно-импульсной, импульсно-позиционной модуляций, вместо того, чтобы более глубоко изучить возможности ИКМ.
ИКМ и Bell System: вторая мировая война, и до 1948 года.
По договору о взаимном лицензировании с Международной Телефонной и Телеграфной корпорацией инженеры телефонной лаборатории Бэлла пересмотрели исследования Ривза в отношении описания цепей и начали свои разработки в сфере ИКМ технологии. Начав свои исследования в 1940 году и продолжая их в течении второй мировой войны, главным образом посвящали их секретной передаче речи, что сделало изучение ИКМ обязательным.
В 1940 году разработчики лаборатории Бэлла начали работу по исследованию системы секретности речи получившее название “Project-X”, более детальное описание указано в6 (стр.296-317). В этих исследованиях используется сложная техника, основанная на электронно-вакуумной технологии. При этом использовался разработанный ранее «вокодер», технология ИКМ, и уникальная техника скремблирования данных (защита от несанкционированного доступа, прим. ред.), использующая грамзапись с содержанием электронного кодового «ключа» к кодам. Система была спроектирована в Бэлл и запущена в производство компанией Вестерн Электрик в конце 1942 года. К апрелю 1943 года несколько терминалов было закончено и установлено в Вашингтоне, Лондоне и Северной Африке. Вскоре после этого дополнительные терминалы были установлены в Париже, на Гавайях, в Австралии и на Филиппинах.
К концу войны несколько групп инженеров в Бэлл занимались изучением ИКМ; однако, большинство из разработок военного времени не были опубликованы и долгое время в период послевоенного времени, т к они имели гриф секретности. Труды Х.С.Блэка, Д.О.Эдсона и В.М.Гуддалла были изданы в 1947-194821-23. Они акцентировали свое внимание на системе шифровки речи, основанной на технике ИКМ. В результате их исследований родилось большое количество важных открытий. Система ИКМ , которая оцифровывает полную ширину голосового спектра в 5-разрядной системе, со скоростью дискретизации 8kSPS (8 тысяч отсчётов в секунду), используя при этом АЦП последовательного приближения ( которые были описаны Эдсоном и Блэком21,22).
Опытная система ИКМ В.М.Гудалла, основана на схожей технике и описана в его классическом труде. Среди наиболее важных разработок, явившихся результатом этой работы стали: ЦАП последовательного приближения, кодирующая электронная трубка, декодер Шэннона-Рэка, логарифмический отсчёт уровней квантования (компандинг) и практическое доказательство возможности использования ИКМ. Результаты исследований были обобщены в 1948 году в статье, написанной Л.А.Мичамом и Е.Петерсоном, где описывалась опытная система использования 24-канальной ИКМ24. В ссылке рис. 1.10 обобщены результаты исследований ИКМ, проведенные лабораторией Белл в 1948 году.
• Секретная система шифровки голоса с использованием ИКМ -“Project-X”, 1940-1943
• 5-разрядный, АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации 8 kSPS
• логарифмическое квантование речи (компандирование)
• кодирующая электронная трубка, 7-разрядная, с частотой дисктретизации 100 kSPS
• декодер «Шеннона-Рэка» (ЦАП)
• удачная демонстрация опытных терминалов ИКМ
• теоретические положения ИКМ, расширенные и опубликованные Шенноном
• изобретение германиевого транзистора в 1947 году
Рисунок1.10: Исследования лаборатории Белл в сфере ИКМ, проведенные в период второй мировой войны (и до 1948 года).
Важным достижением в области АЦП технологии в этот период стало изобретение кодирующей электронной трубки. Трубка, описанная Р.В.Сирзом в его работе25, дискретизировала со скоростью 96 kSPS, с разрешением в 7-бит. Концепции электронно-лучевого кодера для 4-разрядного устройства отражены на рисунке 1.11. Предшествующие аналоги использовали последовательный режим (рис. 1.11А). Аналоговый сигнал сначала проходил через устройство выборки- хранения и во время интервала «хранения» луч разворачивался в трубке горизонтально. При этом У- отклонение соответствует значению аналогового сигнала от устройства выборки-хранения. Теневая маска закодирована для получения соответствующего бинарного кода, зависящего от вертикального отклонения. Код регистрируется коллектором, и биты вырабатываются в последовательном формате. Позже в трубках начали использовать ленточный луч (см рис. 1.11В), создав первый электронный flash преобразователь, выдающий параллельно выходное слово.
Рисунок 1.11 Кодирующая электронная трубка
Ранние электронно-вакуумные кодеры использовали бинарно-кодирующую теневую маску. Существовали большие погрешности если луч распространялся на 2 соседних кода и освещал оба из них. Иллюстрация этого явления приведена на рис 1.12А. Горизонтальная линия представляет развертку луча в точке перехода (перехода между кодом 0111 и кодом 1000). Например, ошибка в самом старшем значащем разряде (MSB) состовит ½ шкалы. Подобные ошибки были минимизированы путем установки горизонтальных чувствительных проволочек по ширине границ каждого уровня квантования. Если луч первоначально падает на одну из проволок, небольшое напряжение добавляется к напряжению вертикального отклонения, которое сдвигает луч от переходной зоны.
Рисунок 1.12 Теневая маска кодирующей электронной трубки для двоичного кода и кода Грея
Ошибки бинарных теневых масок были устранены путем использования теневой маски с кодом Грея, пример которой приведен на рисунке 1.12В. Настоящее его название звучит как «рефлексный бинарный код»; он был изобретен в 1878 Элишем Греем и впоследствии пересмотрен Фрэнком Греем в 1949 году26. Достоинство кода Грея состоит в том, что соседние уровни отличаются друг от друга на одну цифру в соответствующем слове, кодируемом с помощью кода Грея. Следовательно, если есть ошибка в определении разряда для определенного уровня, то соответствующая ошибка после преобразования в бинарный код будет всегда соответствовать младшему значащему биту (LSB). В случае попадания луча в середину шкалы, меняется старший значимый бит, но ощибка только 1 LSB . Интересно отметить, что подобный феномен может происходить в современных Flash преобразователях, использующих компараторы, вследствие метастабильности компаратора. При небольшом перевозбуждении существует определенная вероятность того, что компаратор будет вырабатывать неверное решение на своем выходе с защелкой , создавая тот же самый эффект при использовании техники прямого бинарного кодирования. Во многих случаях код Грея или коды «псевдо Грея» используются для декодировки выходных данных компартора перед окончательным преобразованием в бинарно-кодовый выходной сигнал (смотрите главу 3 с более детальным описанием архитектурных конструкций).
Несмотря на множество механических и электрических проблем, относящихся к центрированию луча, технология кодирования на электронной трубке достигла своего пика в середине 1960-х годов с использованием экспериментального 9-разрядного кодера со скоростью дискретизации равной 12 MSPS27. Только открытие в области технологий полупроводниковых АЦП сделало существование преобразователей, основанных на технологии электронной трубки ненужным.
ОУ и регенеративные импульсные ретрансляторы: от электронно-вакуумных до полупроводниковых устройств
За исключением ранних относительно малоэффективных электромеханических усилителей5, развитие электронных усилителей началось с изобретения электронно-вакуумной технологии Ли де Форестом в 1906 году28,29. Иллюстрация из патента де Фореста приведена на рис 1.13.
Рисунок 1.13 Изобретение электронно-вакуумной лампы
К 1914 году электронно-вакуумные усилители были внедрены на телефонном заводе. Развитие усилителей всегда было особенно важным для разработки преобразователей данных, начиная с этих ранних электронно-вакуумных схем. Ключевым этапом развития этой технологии было изобретение усилителя с обратной связью Гарольдом С.Блэком в 192730,31,32. На протяжении второй мировой войны продолжалась работа по исследованию цепей усилителей; много важных разработок было сделано инженерами лаборатории Бэлл (более полная история исследований ОУ дана в1). На рисунке 1.14 дается схема усилителя с обратной связью, взятая из поздней статьи Блэка.
Рисунок 1.14 Усилитель с обратной связью Гарольда Блэка, 1927
Изобретение германиевого транзистора в 1947 году33,34,35 явилось толчком для развития как ИКМ, так и других электронных систем. Для практического использования ИКМ необходимо было установить восстанавливающие ретрансляторы периодично на линиях передачи. До изобретения транзистора, удачно спроектированные вакуумные ретрансляторы несколько лет применялись в телеграфе и телефонной связи, но испытывали серьезные проблемы, касающиеся их надежности. Однако, полупроводниковые восстанавливающие ретрансляторы, разработанные Л.Р.Рэтхоллом в 1956, привели фазу исследования ИКМ к впечатляющему заключению36. Этот ретранслятор демонстрировался на опытной кабельной системе с использованием ретрансляционного интервала в 2.3 мили с кабелем 19 калибра, а также на 0.56 мили с кабелем 32 калибра. Схематический чертеж ретранслятора представлен на рис. 1.15.
В ретрансляторе Рэтхолла использовался германиевый транзистор, разработанный в Бэлл и внедренный Вестерн Элекрик. Кремниевый транзистор был изобретен в 1954 Гордоном Тилом из Техас Инструментз. Он получил широкое коммерческое применение, вызванное увеличенным температурным диапазоном эксплуатации и надежностью. В конечном итоге, изобретение интегральых схем в 195837,38 и последующего планарного процесса в 195939 установило новую эпоху дальнейшего развития ИКМ. Эти базовые полупроводниковые исследования обобщены в ссылке рис. 1.16 и описаны более детально в главе 4 данной книги.
Рисунок 1.15 Твердотельный ИКМ ретранслятор Л.Р.Рэтхолла, 1956
• изобретение в 1947 году германиевого транзистора инженерами лаборатории Белл: Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Вильям Шокли
• кремниевый транзистор: Гордон Тил, Тексэс Инструментс, 1954
• Рождение интегральной схемы:
• Джек Килби, Тексэс Инструментс, 1958 (использовал соединяющие провода для связи компонентов в ИС)
•Роберт Нойс , Фэирчайлд Семикондактор, 1959 (использовал металлизацию для межсоединений).
Рисунок 1.16 Ключевые достижения в развитии твердотельной технологии
C изобретением ретранслятора Рэтхолла в 1956 году, стало очевидным, что ИКМ может эффективно использоваться для увеличения количества голосовых каналов на существующих медных кабельных парах. Это было особенно заманчиво для крупных городов, где многие передающие каналы были полностью заполнены. Многие из этих пар были оборудованы согласующими катушками на расстоянии 1.8 км друг от друга для улучшения чувствительности в голосовой полосе. Возникало естественное желание заменить согласующие катушки полупроводниковыми ретрансляторами и увеличить таким образом емкость с 1 до 24 каналов, используя ИКМ.
По этой причине в лаборатории Белл было принято решение разработать высокочастотную систему связи, основанную на ИКМ. Прототип 24-канальной системы был спроектирован и проверен в 1958 и 1959 на линии между Саммитом и Нью Джерси и Саут Ориндж и Нью Джерси. Эта система, названная высокочастотной системой связи Т-1, передавала 24 голосовых канала и использовала 1.544-МГц последовательность импульсов в биполярном коде. Система использовала 7-разрядное логарифмическое кодирование с 26 dВ компандированием и позже начала использовать 8-разрядное кодирование. Полупроводниковые ретрансляторы были расположены на интервалах 1.8 км, в соответствии с расположением существующих согласующих катушек. Первая линия Т-1 была пущена в работу в 1962 году, а к 1984 году в США существовало более 200 миллионов км линий связи Т-1.
Часть 1.2: Преобразователи 1950-х и 1960-х.
Уолт Кестер
Коммерческие преобразователи: 1950-е годы.
До середины 1950-х годов , преобразователи были уже основательно развиты и использовались в специализированных сферах применения, например, таких как ИКМ лаборатории Белл и система шифрования сообщений, использовавшаяся в период второй мировой войны. Из-за применения технологии вакуумных трубок, преобразователи были очень дорогими, громоздкими и имели высокое энергопотребление. Практически они не могли иметь коммерческого использования.
Цифровой компьютер был важной движущей силой коммерческого развития АЦП. Проект по созданию компьютера ENIAC начался в 1942 году и был представлен широкой публике в феврале 1946 года. Проект ENIAC привел к созданию первого коммерческого цифрового компьютера UNIVAC, разработанного Eckert and Mauchly. Первый UNIVAC был доставлен в United States Census Burea в июне 1951.
Применение в военной сфере, например, такое как вычисление баллистической траектории, стимулировало создание цифрового компьютера. Но время шло и интерес к цифровым вычислениям возрастал, так как их можно было применить и в других областях: анализ данных, промышленные процессы управления, а отсюда возросла необходимость в использовании преобразователей. В 1953 году Бернард М Гордон, пионер в области преобразования данных, основал компанию под названием Epsco Инжениеринг в Конкорде МА, где он сам проживал. Гордон раньше работал над созданием компьютера UNIVAC и осознал необходимость создания коммерческих преобразователей. В 1954 году Эпско представил 11-разрядный АЦП на основе вакуумной трубки, со скоростью дискретизации 50-kSPS. Этот преобразователь считается первым коммерческим устройством данного типа.
Преобразователь «Datrac», выпущенный Эпско потреблял 500 Ватт, был спроектирован для стоечного монтажа (19″х15″х26″), и был продан за сумму 8000 - 9000 долларов1. Фотография этого устройства приведена на рисунке 1.17. Datrac, был первым коммерчески доступным АЦП, использовавшим сдвигово-программируемую архитектуру последовательного приближения. Гордон получил патент на логику, необходимую для выполнения алгоритма преобразования2. Из-за того, что в нем имелась функция выборки-хранения, Datrac от Эпско был первым коммерческим АЦП, подходящим для оцифровки сигналов переменного тока, таких как речь.
В этот же период, несколько других компаний производили низкоскоростные АЦП, подходящие для применения при цифровых замерах вольтметром. Также существовали оптические преобразователи, основанные на кодирующих дисках, для измерения дуговой координаты вала в авиационных приложениях1. С середины 1950 до конца 50-х в преобразователях использовались комбинации вакуумных трубок, полупроводниковых диодов и транзисторов для осуществления процесса преобразования. Следующие компании занимались разработкой преобразователей: Эпско, Нон-Линеар Системз, J B Rea, Adage. Для более
глубокого рассмотрения истории развития преобразователей в 1950-х вы можете обратиться к трудам указанным в1,3-6.
Рисунок 1.17 11-разрядный 50-kSPS АЦП на электронной вакуумной трубке DATRAC, 1954.
История развития преобразователей: 1960-e
С середины 1950-х до начала 1960-х, вакуумные трубки заменялись на транзисторы при проектировании электронных схем, тем самым открывая все новые возможности для создании электроники на основе технологии преобразования данных. Как было указано выше, кремниевый транзистор вызвал интерес к полупроводниковым разработкам. Постоянно возрастал интерес к устройствам преобразования данных. Об этом можно судить на основании двух обзорных статей, опубликованных в 1964 и 1967 годах5,6. Так как эти товары были в основном неизвестны новым клиентам, были предприняты усилия для определения технических характеристик и необходимых условий для их проверки7-16. Универсальный компьютер IBM-360 и компактные полупроводниковые компьютеры (такие как серия DEC PDP, запущенные в 1963 году) усилили интерес к приложениям анализа данных. Другими стимулами развития преобразователей в 1960-х стали: промышленный процесс управления, измерения, ИКМ, военные системы.
В 1960-х в Бэлл Лаб. продолжались разработки по проектированию высокоскоростных преобразователей (9-разрядный, со скоростью дискретизации 5 MSPS) для ИКМ применения17; военный отдел Бэлл Лаб. начал работу над созданием «железа» и программного обеспечения для системы антибаллистической ракеты (anti-ballistic missile, ABM)
В 1958 году армия США начала разработку системы противобаллистической ракеты Найк-Зевс (Nike-Zeus), за проектирование «электронного железа» отвечала Бэлл Лаб. Эта программа в 1963 году была заменена на Найк-Х. Это была первая программа, предложившая цифровой управляемый фазированный радар для отслеживания тактических и стратегических ракет. Цель этой системы заключалась в перехвате и уничтожении приближающихся к США советских ядерных ракет и защите населения страны.
В 1967 году президент Линдон Джонсон и министр обороны Роберт Мак Намара пересмотрели ABM программу и заменили название на Сентинэл (часовой). В основном эта система использовала то же «железо», что и Найк-Х, но определение цели с Советского Союза изменилось на Китай, где была продемонстрирована ядерная мощь. Эта программа спровоцировала большую волну всеобщего протеста, когда стало ясно, что размещение ядерных ракет-перехватчиков будет сосредоточено рядом с городами, которые они и собираются защищать.
Ричард Никсон стал президентом в 1969, и из-за политических причин ему пришлось снова изменить цель и название АBM программы, но система продолжала использовать то же «железо». Программа стала называться Сэйфгард (Safegard) и ее целью стало защитить Minuteman ICBM поля, базу стратегического авиационного командования, Вашингтон. Систему, включающую тактические и стратегические ракеты, планировалось разместить в 12 пунктах.
Программа Сейфгард была вовлечена в советско-американские переговоры об ограничении стратегических вооружений, и значительно сократилась. В конечном счете только один пункт базирования был построен в Гранд Форкс, Северная Дакота, а 1 октября 1975 года он стал рабочим. 2 октября, 1975 года палата представителей проголосовала за отмену программы Сейфгард.
Ключевым элементом систем Найк-Х/Сентинэл/Сейфгард было использование цифровых технологий для управления фазированным радаром, для выполнения команд и для управления другими заданиями. При этом использовалась резисторно-транзисторная логика (RTL), вмонтированная в гибридный корпус. Для системы было важно использовать высокоскоростные АЦП, необходимые для приемного устройства фазированного радара. Ранние прототипы для необходимого 8-разрядного 10-MSPS АЦП были разработаны инженерами Бэлл Лаб. Джоном М Eubanks и Робертом К Бедингфильдом в период между 1963 и 1965. В 1966 эти два пионера высокоскоростного преобразования ушли из Бэлл Лаб. и основали Компьютер Лаб. в Greensboro, NC, и выпустили коммерческую версию этого АЦП.
8-разрядный, 10-MSPS преобразователь был закреплен в стойке, содержал свое собственное линейное питание, потреблял 150 Ватт, и продавался за 10 000 долларов (см. рис. 1.18).Такая же технология использовалась для изготовления версий 9-разрядного с 5-MSPS и 10-разрядного с 3-MSPS. Хотя в следующих поколениях разработок Компьютер Лаб. будет использовать преимущественно модульные ОУ ( Computer Labs OA-125 and FS-125), и ИС, такие как Fairchild μA710/711компараторы, а также 7400 TTL(транзисторно-транзисторную логику), в первых АЦП использовались в основном дискретные компоненты.
Ранние высокоскоростные АЦП, произведенные Компьютер Лаб. в основном использовались для исследований и разработок проектов, связанных с радиолокационным приемником. Следующие компании занимались такими разработками: Raytheon, Джэнерал Электрик, MIT Линкольн Лаб.
В середине 1960-х пионерами в разработке низкоскоростных, на PC- печатных платах и модульных, АЦП были такие компании как: Аналоджик (основанная Бернардом М Горданом), Пасториза Электроникс (основанная Джеймсом Пасториза). В числе других компаний, занимающихся преобразователями были: Adage, Бэрр Браун, Дженерал Инструмент Корп, Радиэйшн Инкорп, Рэдкор Корпорейшн, Бэкман Инструментс, Ривз Инструментс, Тексэс Инструментс, Raytheon Computer, Престон Сайентифик и Зелтекс Инкорп. Большинство преобразователей 1960-х годов имели формат цифровых вольтметров, использовали интегрирующую архитектуру, хотя Аdage представила в начале 60-х 8-разрядный 1-MSPS стробируемый АЦП, Voldicon VF75
Рисунок 1.18 HS-810, 8-разрядный 10-MSPS АЦП Компьютер Лаб. Инкорп., 1966.
В дополнение к широкому распространению схем на дискретных транзисторах, в 1960-е годы стали доступными различные блоки с интегральными схемами, что привело к уменьшению размеров и энергопотребления преобразователей. В 1964 и 1965 Fairchild представила 2 известных ИС- проекта Боба Вайдлара: ОУ µА709 и компаратор µА710/ µА711. Вскоре за ними последовала серия линейных ИС, выпущенных Fairchild и другими производителями. Этот период также ознаменовался появлением 7400-серии с транзисторно-транзисторной логикой (TTL), высокоскоростной эмиттерно-связанной логикой (ECL) и также 4000-серии с логикой CMOS, разработанной RCA в 1968. Кроме того, появились также диоды Шотки, опорные диоды Зенера, полевые транзисторы, подходящие для переключателей, согласованные пары JFETs – все это представляло своего рода строительный материал, необходимый для разработки преобразователей данных.
В 1965 году Рэй Стата и Матт Лорбер основали Analog Devices Inc (ADI) в Кембридже, МА. Первыми продуктами производства стали высокопроизводительные модульные операционные усилители, но в 1969 году ADI приобрела Pastoriza Electronics, лидера в производстве преобразователей, таким образом заложила солидную базу для производства как устройств сбора данных так и линейных устройств.
Pastoriza имела достижения в производстве устройств сбора данных. На рис 1.19 показана фотография 12-разрядного 10µs АЦП общего назначения последовательного приближения выпуска 1969 года, ADC-12U, был продан за 800 долларов. В нём использовалась архитектура последовательного приближения, компаратор µА710, модульный 12-разрядный “Minidac” и 14 корпусов логики 7400-серии, необходимые для осуществления алгоритма преобразования последовательного приближения.
Рисунок 1.19 АЦП-12U, 12-разрядный 10 мкс., последовательных приближений, разработанный отделением Pastoriza ф. Analog Devices
Модуль “Minidac” был построен на основе ИС “quad switch” (четырехпозиционный ключ, подключающий к выходной цепи комбинацию из четырёх токов с значениями, кратными 2п, п = 0,1,2,3. Примечание редактора) (AD550) и тонкопленочной резистивной матрицы (AD850), как показано на рис.1.20. На рис 1.21 детально изображен знаменитый quad switch, запатентованный Джеймсом Пасториза18. Глава 3 данной книги содержит более детальное описание quad switch и других архитектур ЦАП.
Следует отметить, что в ADC-12U для реализации алгоритма последовательного приближения были необходимы 14 корпусов логики. В 1958 году Бернард М. Гордон запатентовал логику реализации алгоритма последовательного приближения19. Вначале 1970-х Advanced Micro Devices и National Semiconductor представили коммерческие ИС, использующие регисторную логику последовательного приближения: 2502 (8-разрядный, последовательный, не расширяемый), 2503 (8-разрядный, расширяемый) и 2504 (12-разрядный, последовательный, расширяемый). Они были специально разработаны для выполнения регистровых функций и функций управления для АЦП последовательного приближения. Они стали стандартными строительными элементами многих модульных и гибридных преобразователей. В действительности акроним SAR расшифровывается как регистр последовательного приближения (successive approximation register), и отсюда появляется сочетание SAR ADC-АЦП последовательного приближения. Ранее, преобразователи, использовавшие архитектуру последовательного приближения, назывались последовательные кодеры (sequential coders) feedback coders (кодеры с обратной связью), feedback subtractor coders (вычитающие кодеры с обратной связью).
Рисунок 1.20 12-разрядный “MiniDAC”, использующий четырёхпозиционный переключатель токов, тонкоплёночную резистивную схему, источник опорного напряжения и операционный усилитель, 1969.
Рис. 1.21 ЦАП “quad switch” с внешней тонкоплёночной резистивной схемой.
Архитектуры преобразователей.
История развития различных архитектур преобразователей содержится в главе 3 данной книги, здесь мы обобщим главные достижения.
Основной алгоритм процесса преобразования с использованием АЦП последовательного приближения (ранее называвшийся - вычитание с обратной связью) уходит корнями в 1500-е годы к определенным математическим головоломкам относительно определения неизвестного веса путем минимального числа последовательных взвешиваний20. Цель данной проблемы заключалась в определении наименьшего числа взвешиваний, которое будет необходимо для взвешивания на весах целого числа фунтов от 1 lb до 40 lb. Одно решение было найдено математиком Тартагдлия (Tartaglia) в 1556 году, который предложил использовать серию взвешиваний с 1 lb, 2 lb, 4 lb, 8 lb, 16 lb, 32 lb. Этот алгоритм взвешивания аналогичен современному алгоритму последовательного приближения для АЦП. Необходимо уточнить, что это решение позволяет измерить неизвестный вес до 63 lb, а не 40 lb, как предполагалось изобретателем. Данный алгоритм изображен на рис. 1.22, где неизвестный вес составляет 45 lbs. Для демонстрации алгоритма используется аналог чашечных весов. Электронная реализация АЦП последовательного приближения показана на рис. 1.23.
Рисунок 1.22 Алгоритм последовательных приближений АЦП, подобный двоичному взвешиванию.
Рисунок 1.23 Базисная схема АЦП последовательного приближения (вычитающий АЦП с обратной связью).
Интересно отметить, что все фундаментальные архитектуры АЦП, использующиеся в настоящий момент были открыты и опубликованы к середине 1960-х. На рис. 1.24 представлены временные этапы развития АЦП последовательного приближения. На рис. 1.25 указаны этапы развития архитектур высокоскоростных АЦП и на рис. 1.26- подсчитывающий и интегрирующий АЦП. Даже архитектура Σ-Δ АЦП была изучена к этому периоду, этапы развития представлены на рис. 1.27. Более детальная информация по каждой архитектуре и этапы развития рассматриваются в главе 3.
• Алгоритм регистрового последовательного приближения (SAR) берет свое начало в 1500-х
• Ранние АЦП ПП в основном использовали переключаемые источники опорного напряжения, а не внутренние ЦАП (Шеллинг: 1946, Гудолл: 1947)
• Ииспользование внутренних ЦАП вместо переключаемых источников опорного напряжения для реализации процесса преобразования (Кайзер: 1953, Б.Д.Смит: 1953)
• Использование неравномерно взвешенных ЦАП для реализации передаточной функции компандирования (Б.Д.Смит: 1953)
• Первый коммерческий вакуумно-электронный 11-разрядный 50kSPS АЦП ПП (Бернард М. Гордон-Эпско: 1954)
• Разработка специальной логической функции для реализации алгоритма последовательного приближения (Гордон: 1958). Появление популярных логических ИС ПП: 2503, 2504 –произведенных National Semiconductor и Advanced Micro Devices в начале 1970-х
Рисунок 1.24 Обобщение этапов развития АЦП ПП (SAR)
• Счётные АЦП Ривза 1939
• Последовательное приближение 1946
• Flash (электровакуумные кодеры) 1948
• Bit-per-stage (двоичный и Грея) 1956
• Subranging (субдиапазонные) 1956
• Subranging с коррекцией ошибки 1964
• Pipeline (конвеерные) с коррекцией ошибки 1966
Даты относятся к времени первых публикаций или вы