Декомпозиция структуры сложных систем и выявление состава систем для исследования зарядовых и частотных свойств гетероструктур

Приведенная в гл.1 информация об аппаратном и алгоритмическом обеспечении сложных систем для радиофизических исследований, разработанных под руководством или с участием автора, может быть систематизирована с точки зрения возможности использования их типовых функциональных модулей (ФМ) для разработки других, более современных систем для научных исследований. Эта информация о возможном составе синтезируемых систем для радиофизических исследований получена в результате декомпозиции структуры этих ранее разработанных систем до низовых звеньев. Основой определения состава приведенного в п.1.4 аппаратного и алгоритмического обеспечения систем для радиофизических исследований послужили разработки в области прикладной физики при проведении радиофизических и других исследований:

при исследовании в твердотельных гетероструктурах взаимодействия носителей заряда с внешними полями методами емкостной спектроскопии [вольт-фарадных характеристик (вфх)] 30, 31, 57, 44, 88 и изотермической релаксации емкости (ире) 54, 56, 88; при исследовании зарядовых процессов в твердотельных гетероструктурах и приборах с зарядовой связью на их основе методами термоактивационной спектроскопии (методами термостимулированных токов поляризации, деполяризации и проводимости) 55, 56, 58; в свч/квч-электронике при исследовании базовых структур оис свч/квч (микрополосковых антенн и пзс) 65, 89, 90; в радиационной физике полупроводников при исследовании радиационно-стимулированных зарядовых процессов в приборах с зарядовой связью и их базовых гетероструктурах 30, 31, 52, 53, 55, 59, 87, 91; в микроэлектронике при исследовании свойств пзс в качестве формирователей сигналов изображения и линейных перемещений 30, 59; в квантовой магнитометрии 61; при создании виртуальных измерительных систем и интеллектуальных систем по распознаванию сигналов 64, 66, 70, 91-101.

Разработанная иерархическая структура и состав низовых функционально завершенных звеньев, полученная на основе указанных выше работ, приведена на рис.2.1 в виде графа. Любая из рассматриваемых систем (множество А, перечень множеств здесь и далее по рис.2.1) обязательно включает в себя аппаратные (множество В₁) и алгоритмические средства (множество В₂) на втором уровне иерархии, представляющем собой множество всех возможных реализаций систем для экспериментальных (в нашем случае - радиофизических) исследований в пределах возможностей содержимого приведенного графа:

.

Разработка аппаратных средств производится на некотором множестве предлагаемых автором возможных вариантов (в нашем случае их 4), на третьем уровне иерархии:

.

Это может быть просто канал регистрации радиофизического сигнала (доплеровского сигнала, излучения лазерного интерферометра или др.; подмножество С1), не имеющий в аппаратной части системы возможности воздействовать на ОИ и предполагающий только ввод и обработку информации. При этом математическое обеспечение АСРФИ может быть любой сложности.

Оно может обеспечивать относительно несложную обработку вводимой информации, такую, как ее масштабирование, представление в алфавитно-цифровой и графической форме на экране монитора, хранение, документирование и т.д. Однако математическая обработка сигналов в одноканальной системе может достигать очень высокого уровня сложности, включая и интеллектуальное АО (в нашем случае системы, связанные с распознаванием образов, принятием решения).

Другой тип представляемых систем - многоканальные системы сбора и обработки радиофизических сигналов от нескольких (многих) датчиков РФВ (например, измерение сигнала от микрополосковой антенны СВЧ/КВЧ диапазона синхронно с углом ее поворота при измерении диаграммы направленности и т.д. - подмножество С2). Эти системы также не имеют возможности формирования воздействия на ОИ, а позволяют производить коммутацию датчиков и измерительных каналов с помощью программно-управляемых электронных коммутаций.

Адаптивный эксперимент предполагает наличие ОС, посредством которой оператор имеет возможность влиять на ход эксперимента. Такими системами являются адаптивные системы сбора и обработки информации [например, системы для исследования радиационной стойкости микроэлектронных приборов на основе гетероструктур (в том числе ПЗС) с возможностью регулирования величины поглощенной дозы - подмножество С3], у которых ОС замыкается через оператора. Они позволяют не только производить измерения, но и корректировать ход радиофизического эксперимента по командам оператора.

Наиболее высокоорганизованным из проводившихся радиофизических экспериментов является эксперимент с использованием системы, у которой имеется возможность гибкого, программно-управляемого воздействия на ОИ и адаптивной коррекции хода эксперимента в реальном масштабе времени. У данных систем (например, измерение дозовых зависимостей ПЗС и определение зарядового состояния использованных в них гетероструктур при изменяемых рабочих частотах - подмножество С4), имеющих программно-управляемые аппаратные средства, предполагается текущий анализ получаемых сигналов и, при необходимости, перестройка или коррекция хода эксперимента без участия оператора. Такой эксперимент требует создания отдельного интеллектуального алгоритмического (программного) обеспечения, включающего БД, БЗ и соответствующие системы логических выводов. Только с их помощью можно получить информацию о радиофизических процессах с высоких степенью точности и достоверности.

Состав АО В2 на третьем уровне иерархии представлен следующими подмножествами:

.

АО этого уровня дает возможность обеспечения ввода-вывода всех сигналов в процессе взаимодействия ЭВМ с внешними устройствами (С5). Вводимые сигналы подвергаются предварительной обработке, с возможностью отображения, хранения и документирования (С6). В случае необходимости введенные в ЭВМ сигналы подвергаются более сложной обработке, включая АО интеллектуального уровня (С7). При формировании сложных измерительных цепей систем для радиофизических исследований возникает необходимость программно формировать или перестраивать ее конфигурацию с помощью электронных коммутаций, для чего служит соответствующий блок ПО (С8). Для обеспечения взаимодействия между блоками основного АО, обеспечения качества и надежности работы аппаратных средств систем для радиофизических исследований, взаимодействия АО с экспертом (оператором) требуется наличие или разработка блока сервисных (в т. ч. диспетчерских) программ (С9).

В свою очередь подмножества С_i, образующие множество С, представлены соответствующими подмножествами функциональных звеньев систем на 4-м уровне иерархии графа:

,

.

Составными частями множества D являются функционально завершенные элементы систем, имеющие характеристики, представленные на следующем, пятом, уровне иерархии графа. При синтезе подобных систем для радиофизических исследований в любом случае требуются ЭВМ (подмножество D1). В случае синтеза компактной малогабаритной жесткой или транспортабельной (переносной) системы для научных исследований, вместо ЭВМ используется МП d₁₁. При необходимости иметь гибкие программные средства обеспечения большей производительности, чем МП, используется ПЭВМ d₁₂. Наиболее высокой производительностью, разветвлением, возможностью моделирования и управления самыми сложными процессами и объектами обладают большие и средние ЭВМ d₁₃. В зависимости от специфики проводимого эксперимента, вычислительные средства могут включать все перечисленные их разновидности в разном сочетании и количестве. Таким образом, их возможные варианты представим подмножеством:

. (2.1)

Связь вычислительных средств с внешними устройствами производится через устройства сопряжения (УС - подмножество D2). В компактных микропроцессорных системах, как правило, используются жесткие аппаратные УС d₂₁. В настоящее время существует ряд стандартных УС модульного типа, таких, как систем КАМАК, FASTBUS, VME и др. d₂₂ (описаны в гл.1). Однако при создании адаптивных систем для радиофизических исследований требуются, по возможности, максимально гибкие средства сопряжения. В этом случае все большее распространение получают гибкие, адаптивные одноплатные УС d₂₃, доступные для разработки и изготовления в лабораторных условиях (см. гл.5). Поэтому подмножество имеющихся в нашем случае УС представим так:

. (2.2)

Для любой АСРФИ обязательным является наличие АЦП (подмножество D3), характеристики которого в значительной степени определяют характеристики всей системы. В нашем случае наиболее скоростными АЦП, для которых еще возможна реализация ввода аналогового сигнала в ЭВМ с максимальной скоростью в режиме реального времени (при использовании ЭВМ класса IBM), являются АЦП d₃₁ (поразрядного кодирования, с кварцованным периодом дискретизации, имеющий 12 разрядов, f_прmax = 500 кГц, U_вх = 0,5 В, 5 В, с возможностью работы в однополярном режиме) и d₃₂ (комбинированный, с наращиваемым числом разрядов до 16 и более, f_прmax - до 1 МГц, U_вх = 4,5В).

При наличии сверхбыстрых сигналов требуется сверхскоростной АЦП d₃₃ (в нашем случае - АЦП в стандарте КАМАК, 8-разрядный, f_прmax = 50 МГц, U_вх = 1,016; 2,032; 4,064; 8,128 В).

Для оцифровки речевой информации использовались специализированные модульные платы типа SOUNDBLASTER, имеющие в своем составе АЦП (в нашем случае d_{34 -} двухканальный АЦП, имеющий 20 разрядов, f_прmax = 44 кГц, U_вх = 0,5 В). Они также могут использоваться и при разработке других систем.

Если оцифровываемый сигнал низкочастотный, имеющий в своем спектре верхнюю граничную частоту не более единиц килогерц, то уместна минимизация его аппаратного обеспечения путем реализации отдельных его компонент в алгоритмическом (программном) исполнении (ГТИ, счетчики и др.), что существенно снижает влияние шумов от работающих логических элементов (в нашем случае d₃₅ - полуалгоритмический АЦП, имеющий f_прmax = 40 кГц, 12 разрядов, U_вх = 0 5 В).

Таким образом, подмножество АЦП в нашем случае имеет вид:

. (2.3)

При измерении сигналов от датчиков, как правило, возникает необходимость промежуточных измерительных преобразований аналоговых сигналов (ПрИП, подмножество D4). В нашем случае такие преобразования выполняют нормализатор d₄₁, УВХ d₄₂, АМ d₄₃. Поэтому в данном случае подмножество ПрИП

. (2.4)

При организации вывода аналоговых сигналов из ЭВМ требуется производить цифроаналоговое преобразование с помощью ЦАП (подмножество D5). При этом быстродействия ЦАП, большего, чем быстродействие самой ЭВМ, не требуется. Для ЦАП наиболее важными характеристиками являются точность преобразования и разрешающая способность. Высокоточные ЦАП d₅₁ используются при формировании управляющего воздействия на ОИ, для управления характеристиками приборов с зарядовой связью и т.д. Там, где этого не требуется, используется ЦАП общего применения с характеристиками среднего класса d₅₂ (например, при формировании развертки регистрирующих устройств, для управления механикой и т.д.). Таким образом, подмножество ЦАП:

. (2.5)

Устройства обмена кодовой информацией (подмножество D6) обеспечивают возможность функциональной и структурной перестройки системы для научных исследований. Это требует наличия возможности коммутаций каналов, выдачи стартстопных сигналов, приема сигналов контроля состояний приборов и узлов системы. В данном случае все управляющие коды формируются в виде логических сигналов и хранятся на РгВв-Выв. Пусть РгВв - d₆₁, а РгВыв - d₆₂, тогда подмножество устройств обмена цифровой информацией:

. (2.6)

Элементами, обязательно присутствующими во всех системах для экспериментальных исследований, являются ПИП (подмножество D7). Их выбор полностью определяется изучаемыми свойствами ОИ (в нашем случае - свойствами гетероструктур и ПЗС) и измеряемыми характеристиками. Для этого в качестве ПИП использовались как ЭУ, выполняющие функции ПИП (ВЧВФХ d₇₁, НЧВФХ d₇₂, ИРЕ d₇₃, ТСП d₇₄, ТСД d₇₅, СВЧ d₇₆, ПЗС d₇₇), так и датчики как конструктивно обособленные ПИП (термопара d₇₈ и микрофон d₇₉). Подмножество ПИП в нашем случае:

. (2.7)

Для обеспечения работы вышеперечисленных аппаратных средств в составе систем для радиофизических исследований требуется соответствующее АО (ПО). Блок АО ввода информации (подмножество D8) должен обеспечивать ввод как аналоговых d₈₁, так и цифровых сигналов d₈₂. При этом:

. (2.8)

АО вывода сигналов (подмножество D9) должно обеспечить соответственно вывод аналоговых d₉₁ и цифровых d₉₂ сигналов. При этом:

. (2.9)

При вводе аналоговых сигналов от ПИП в ЭВМ возникает необходимость предварительной цифровой обработки (подмножество D10). Это может быть оптимизация периода дискретизации с целью исключения эффекта наложения спектров и большой избыточности информации d₁₀₁, цифровая фильтрация d₁₀₂, взвешивание временными окнами перед последующим спектральным анализом d₁₀₃. В этом случае:

. (2.10)

Введенный в ЭВМ сигнал может быть выведен на монитор компьютера с помощью соответствующего АО (подмножество D11). Вывод алфавитно-цифровой информации d₁₁₁ предполагает выдачу сообщений в виде текстов, цифр, таблиц. Вывод графической информации d₁₁₂ требует формирования соответствующей системы координат. Может также потребоваться вывод смешанной информации d₁₁₃. В этом случае

. (2.11)

Введенные и обработанные сигналы в любом случае требуют хранения с возможностью документирования (подмножество D12). Этот блок содержит АО занесения информации в память ЭВМ d₁₂₁ и АО вывода информации на регистрирующие устройства (принтер, плоттер и т.д.) d_122:

. (2.12)

АО традиционного математического обеспечения (подмножество D13) предполагает обработку введенных сигналов с использованием известных формул, соотношений d₁₃₁ и известные математические методы d₁₃₂:

. (2.13)

АО интеллектуальной обработки сигналов (подмножество D14) предполагает наличие возможности распознавания образов d₁₄₁, принятия решений d₁₄₂, создание самообучающихся программ d₁₄₃, экспертных систем и формирование БД и БЗ d₁₄₅. В этом случае:

. (2.14)

Как было сказано выше, возможность функциональной и структурной перестройки адаптивных систем в процессе эксперимента предполагает наличие коммутаций. Блок алгоритмов управления коммутациями (подмножество D15) включает в себя ПО управления коммутациями, определяющими структуру СРФИ d₁₅₁ и ПО управления коммутациями, обеспечивающими функциональную перестройку параметров отдельных узлов и блоков СРФИ d₁₅₂:

. (2.15)

В случае необходимости формирования определенного воздействия на ОИ предполагается наличие соответствующего блока алгоритмов (подмножество D16). ПО вывода аналоговых сигналов d₁₆₁ обеспечивает их формирование и выдачу через ЦАП. При необходимости формирования стартстопных, релейных и других дискретных сигналов задействуется ПО формирования цифровых управляющих сигналов d₁₆₂. Данное подмножество определим так:

. (2.16)

При организации экспериментов с применением логической обработки текущей информации от датчиков и анализом БД и БЗ с принятием решений в процессе эксперимента требуется АО интеллектуальной обработки и управления (подмножество D17). В нашем случае оно предполагает наличие ПО формирования закона управления d₁₇₁ и ПО анализа текущей измерительной информации и принятия решений d_172. Данное подмножество:

. (2.17)

В процессе функционирования любой сложной СРФИ всегда желательно иметь возможность контроля ее параметров. В связи с этим необходимо иметь соответствующий блок АО (подмножество D18), реализацию которого определяют ПО метрологического контроля d₁₈₁ и ПО функциональной диагностики d₁₈₂. Данное подмножество:

. (2.18)

Разработка сложных систем с применением ЭВМ предполагает и наличие сложного АО, поэтому оно имеет модульную структуру, а для организации взаимодействия между программными блоками используются диспетчерские программы (подмножество D19). В их состав входят программный диспетчер ввода-вывода d₁₉₁, диспетчер вывода управляющих сигналов d₁₉₂, диспетчер диагностики d₁₉₃, диспетчер метрологического обеспечения d₁₉₄. Поэтому данное подмножество имеет вид:

. (2.19)

Такая классификация функциональных возможностей адаптивных систем представляется наиболее удобной для практической реализации новых АСРФИ, на основе имеющегося (выше приведенного) функционального ресурса (четвертый уровень графа на рис.2.1), требующих гибкости измерительных цепей с возможностью логических преобразований при помощи ЭВМ. При этом полный набор функциональных элементов гипотетической АСРФИ можно представить декартовым произведением X:

,

где множества: А А; B = B1 B2; C = С1 C2 C3 C4;

D = D1 D2 D3 ... D19.

Элементы множества D обладают свойствами доменов, поэтому функциональный состав всех систем для радиофизических исследований, которые можно синтезировать в пределах возможностей, определяемых графом на рис.2.1, уместно представить соответствующими отношениями на множествах доменов D1, D2,..., D (в нашем случае - = 19). Отношение R на указанных множествах (не обязательно разных) есть некоторое множество -арных кортежей, таких, что d_1e принадлежит D1, d_2f принадлежит D2 и т.д. [обозначение переменных такое же, как для соответствующих подмножеств (2.1) - (2.19)]. То есть

, (2.20)

Где

. (2.21)

Из анализа состава ФМ и их характеристик видно, что на основе приведенных множеств можно сформировать избыточный функциональный ресурс, т.е. ресурс ФМ, характеристики которых обладают возможностью изменения в определенных пределах. Это является обязательным условием для формирования измерительных структур с возможностью их оптимизации в соответствии с требованиями радиофизического эксперимента.

Имея избыточный функциональный ресурс и требования реализуемого радиофизического эксперимента, можно синтезировать соответствующую адаптивную систему для радиофизических исследований, структурная схема которой является разновидностью схемы, приведенной на рис.1.7 Однако для того, чтобы иметь возможность гибкой перестройки структуры АСРФИ, следует обеспечить логическую управляемость комбинированием ФМ имеющегося функционального ресурса и их характеристиками, для чего требуется соответствующий алгоритм.

Литература