Введение

Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огромный круг задач, связанных главным образом со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей информации человеку или машине. При этом особое место в этом ряду занимает измерительная техника, которая предназначена для получения опытным путем количественно определенной информации об объектах материального мира. С увеличением степени сложности создаваемых технических и технологических систем и комплексов их функционирование характеризуется огромной величиной различной и быстро меняющейся информации, которую необходимо измерять. Это определяет актуальность создания и совершенствования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов. Широкое распространение и использование в телекоммуникационных и вычислительных системах технических средств, для цифровой передачи данных, речи, аудио- и видеоинформации, цифрового телевидения и т.п. увеличивает интерес к современным системам измерения и преобразования информации, а также значимость указанной проблемы. В этих условиях проектирование современных АЦП - перспективная и актуальная задача.

Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обусловливает необходимость создания и развития современных систем измерения и преобразования информации. Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении аналого-цифровых преобразователей (АЦП) ориентировано именно на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик АЦП.

Несмотря на значительные успехи в области создания современных АЦП в микроэлектронном базисе (на основе БИС и СБИС), проектирование и нормирование их характеристик осуществляется в основном в соответствии с критериями построения автономных цифровых средств измерений. Оптимизация структуры и технических характеристик АЦП, обеспечивающая требуемое качество (метрологические параметры), возможна только при системном подходе к проектированию преобразователей. Общего подхода к построению АЦП как системного элемента в архитектуре информационно-измерительной системы (ИИС), обеспечивающего совместимость объектов измерения с процессами в АЦП, аппаратуры и процессов в АЦП с аппаратурой и процессами обработки в ИИС, на момент начала наших исследований не было.

В нашей работе решается актуальная научно-техническая задача - разработка основ структурной теории, методов, алгоритмов и программно-технических средств, для их реализации, сопряженная с развитием теории и проектированием адаптивных системных АЦП с потоковой динамической архитектурой. На основе функционально-эволюционного подхода рассматривается задача совершенствования системных АЦП, направленная на совместную реализацию потенциальных точности и быстродействия используемой элементной базы с целью повышения метрологических характеристик АЦП. Предлагаемый подход основан:

на адаптации аппаратуры АЦП к параллелизму измерительных процедур, изменению параметров входного измеряемого потока,

окружающей среды и объекта;

перестраивании оборудования преобразователя в различные

типы архитектур;

использовании в топологии АЦП структур магистрально-модульного типа.

аналоговый цифровой преобразователь нейросеть

В известной литературе вопросы теоретического и экспериментального исследования указанных структур АЦП не получили достаточной проработки.

Высокая производительность современных АЦП должна быть на несколько порядков выше достигнутой к настоящему времени. Традиционные источники увеличения - это использование сверхскоростных элементов, модульное расширение преобразователя, введение конвейерной обработки и т.п. Существенными недостатками традиционных методов являются усложнение аппаратуры, ограниченность области применения, возрастание стоимости устройства, ограниченность быстродействия элементной базы и др. Это обусловливает поиск новых направлений в развитии АЦП. К новым источникам повышения производительности АЦП относятся: адаптация аппаратуры к параллелизму измерительных процедур; перестраивание оборудования в различные типы архитектур.

В отличие от классических АЦП с фиксированной структурой, получивших широкое распространение в измерительных системах, в работе предлагается новый класс АЦП с перестраиваемой архитектурой, выполненной на основе нейронных технологий. Для этого класса АЦП характерны переменность логической структуры, конструктивная однородность и параллельное выполнение измерений. Благодаря однородности элементов и связей между ними существенно повышается технологичность и экономичность проектирования АЦП, а за счет переменности логической структуры и возможности программной настройки обеспечивается универсальность и гибкость решения различных измерительных задач. Наличие параллельного выполнения операций измерения обеспечивает возможность существенного увеличения скорости (производительности) измерительных устройств без увеличения физического быстродействия элементов преобразователя. Вместе с тем, распространение указанных выше подходов и решений на класс АЦП требует разработки новых алгоритмов и методов преобразования и измерения входных потоков данных.

В предлагаемой работе впервые решена задача построения перестраиваемой структуры АЦП, базирующейся на потоковой динамической архитектуре, реконфигурируемой в процессе решения задач обработки (измерения) и выполненной на нейроподобных элементах - нейронах (нейрочипах), специализированных на реализацию конкретных измерительных процедур.

Нейроны и нейронные сети являются теми элементарными структурно-функциональными модулями, из которых может быть построена произвольной степени сложности техническая система, и в том числе биологическая, как, например, нервная система (мозг) человека и высших животных. В настоящее время в области исследования и моделирования нейронов и нейронных сетей выделяется два направления. Первое направление - биофизическое (биолого-математическое). Второе направление - формально-логическое. В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные со вторым направлением исследований, определяющим концептуальную основу нейрокомпьютерных технических систем.

В нашей работе представлены результаты, полученные в рамках единой оригинальной парадигмы нейронных сетей, механизмы которой ориентированы на практическую реализацию измерительного устройства. Концептуальная основа этих результатов - разработанная автором формальная модель измерительного нейрона в рамках эквисторной структуры измерительной нейросети и формируемые на этой сети ассоциативно-проективные измерительные структуры. Естественно, что от эффективности исходной концепции нейронной сети зависит эффективность порождаемого ею АЦП.