Игнорирование математики не освобождает от ответственности.

[UY0FF]

Представляю очередной "опус" одного из участников нашего форума. Со слов Владимира (автора) -

"немного не по теме радио,но может будет интересно." но судить нам "читателям". Мне лично было очень интересно читать и при этом вспоминать свою дипломную работу (реальный проект "Среднескоростная цифровая система передачи данных с защитой от ошибок") на кафедре МЭС Харьковского института радиоэлектроники и свои "заработки" на кафедре РПУ в далёких уже 80-х прошлого столетия... Спасибо Вам, Владимир, за воспоминание про сдвиговый регистр на К155ИР1. Я эти "большие" микросхемы тоже тогда применял в разрабатываемом устройстве. А расчёты на ЭВМ , обязательные в каждом дипломном проекте производил на своём программируемом калькуляторе Б3-34...

Ну и собственно сам "опус".

 

Эта история произошла более 35 лет тому назад. В то время я был студентом пятого курса электроакустического факультета КПИ, и подрабатывал в научно исследовательском секторе родной кафедры, в лаборатории, которая занималась некоторыми прикладными задачами магнитной записи. Это сейчас все сигналы в цифре, хранить любую информацию можно где угодно и в каком угодно формате, к тому же в сжатом виде. А тогда, особенно у нас в стране, магнитная запись была очень актуальна и использовалась не только для прослушивания Машины Времени и Бонни Эма.

А все начиналось так: будучи уже на 4 курсе в колхозе, на обязательных сельхозработах, я познакомился с лаборантом одной из самых продвинутых лабораторий научно исследовательского сектора кафедры. Он меня привел к завлабу, и в качестве входного экзамена, тот предложил мне рассчитать по постоянному току усилитель на двух транзисторах с непосредственной связью. Кое-как с заданием я справился и он, видя, что я не совсем нулевой согласился взять меня на полставки. Идя на работу на кафедре, я преследовал две цели, первая – материальная (все таки 50р чистыми на дороге не валялись), а вторая может быть гораздо более важная чем первая – это углубить свои познания в практической электронике и реально повысить свой уровень начинающего электронщика-разработчика (каким я себя мнил в будущем).

Первая практическая задача, которую пришлось решать мне – это создание макета лабораторной работы для изучения метода векторной развёртки для отображения на экране осциллографа буквенно-цифровой информации. Потом, тридцать лет спустя я столкнулся с такой же идеологией формирования знаков на экране ЭЛТ, ремонтируя индикатор на лобовом стекле (ИЛС) самолета МиГ-29(но это уже совершенно другая история). Предполагалось сделать устройство, которое при подключении к осциллографу на входы Х, У и Z позволяло отображать на нём два символа в 16-ти сегментной матрице. Эта матрица, в отличии от стандартной семисегментной, позволяла с приемлемым качеством отображать не только цифры, но и все буквы алфавита. Почему только два символа, а не три или более? При двух символах частота сканирования была достаточно низкой и формирователи векторных напряжении были относительно простыми. Руководитель пошутил, что если сделать три знакоместа, то студенты на лабораторной работе обязательно напишут известное матерное слово и всем будет не до матриц с векторами. Делал этот стенд я мучительно долго, сказывалось незнание многих вещей в области операционных усилителей, а с логикой на 155 серии я вообще столкнулся впервые. При этом пришлось делать программатор, составлять таблицу программирования и самому программировать новейшую по тем временам микросхему памяти с пережигаемыми перемычками К155РЕ3. Она использовалась в качестве формирователя всех цифровых последовательностей устройства. Перепортил я , по незнанию, много активных компонентов, долго возился с возбуждением и нелинейностью операционных усилителей (140УД1Б), одновременно на практике постигая основы аналоговой схемотехники, параллельно усваивал практические азы проектирования стабилизаторов напряжения на ИМС 142ЕН1,2 и тд. Вся работа велась под неусыпным вниманием и контролем завлаба. Но когда стенд был отмакетирован и собственноручно изготовлен в виде законченной конструкции, на экран осциллографа С1-65 я вывел два знакоместа и при помощи тумблерного регистра мог подсвечивать или гасить любой сегмент матрицы в каждом знакоместе отдельно, причем тумблеров было 16 и переключатель занесения информации в 1-е или 2-е знакоместо. Информация хранилась в регистрах К155ИР1. Все прекрасно работало, радости границ не было, и душа жаждала новых побед и свершений.

В это время подоспел срок определиться с темой дипломного проекта. Было естественно и логично делать диплом по тематике лаборатории, в которой я работал уже почти год. А тематика была очень специфическая – создание цифровых устройств компенсации колебаний скорости носителя в магнитной записи сигналов специального назначения.

Колебания скорости носителя. Что это такое? В любом магнитофоне есть магнитный носитель – магнитная лента или тонкая(0,07мм) проволока. Лента имеет свойство растягиваться и деформироваться, проволока тоже не абсолютно жесткое тело. Кроме того, невозможно изготовить механические узлы магнитофона с абсолютной точностью. Всегда будет присутствовать биение валов, непараллельность направляющих носителя, нестабильная скорость вращения приводного двигателя и непостоянство прижима ленты к магнитной головке и тонвалу (это такой маховик для стабилизации скорости протяжки магнитной ленты). Все эти факторы приводят к тому, что скорость протяжки ленты в магнитофоне будет колебаться относительно среднего значения. А это обстоятельство, в свою очередь, приводит к искажениям временного масштаба и спектрального состава записываемых сигналов, что крайне нежелательно везде. В видеомагнитофонах это приводит к искажению цвета и срыву синхронизации, в звукотехнике - к искажениям, называемым детонацией, а в точной магнитной записи к потере временного масштаба и формы исходного сигнала. Можно привести примерную аналогию для понимания явления возникновения колебаний скорости носителя. Всем доводилось ездить в метро. Для того, чтобы попасть на перрон нужно спуститься на эскалаторе. Спускаясь на эскалаторе, мы обычно держимся за поручень, который должен двигаться с той же скоростью, что и эскалатор. Но в действительности поручень под рукой постоянно дрожит и перемещается относительно ступенек эскалатора или вперед или назад. При этом постоянно приходится перекладывать руку на новое место, собирая микробы от других граждан. Дрожание поручня это и есть детонация, а плавное смещение поручня принято называть скольжением, в звукотехнике параметр несущественный и трудно устранимый.

Тема оказалась весьма актуальной, и я с огромным энтузиазмом принялся в неё вникать. Для обхода всяких режимно-секретных ограничений и возможности официально оформить работу как дипломный проект, было решено делать макет устройства компенсации детонации для бытового магнитофона первого класса. За основу был взят магнитофон Ростов - 101.

Фото Ростова-101 не моё, а найденное на просторах интернета:

Он был удобен тем, что имел сквозной тракт записи – воспроизведения (возможность одновременно с записью прослушивать записываемый сигнал), неплохой динамический и частотный диапазоны. Кроме того, механика магнитофона была унифицирована с такими аппаратами как Юпитер -202 и Маяк - 203. Хотя по паспорту у этого аппарата коэффициент детонации был не хуже 0,1%, в реальности такое получить на серийном аппарате было затруднительно по ряду причин. Во – первых аппарат построен по однодвигательной схеме со всеми вытекающими негативными последствиями, во-вторых применённый в магнитофоне двигатель КД6-4У имел мягкую механическую характеристику и поэтому в плане стабильности скорости протяжки ленты оставлял желать лучшего. Поэтому улучшать коэффициент детонации в этой механике было куда. Имеющийся в лаборатории Ростов - 101 был полностью исправен и идеально настроен по электрическому тракту, для экспериментов с устройством компенсации колебаний скорости носителя подходил очень хорошо.

Теперь несколько слов о принципе работы устройств компенсации колебаний скорости протяжки носителя. Если во время записи на магнитофон записывать опорный сигнал с постоянной частотой вне спектра информационного звукового сигнала, то при воспроизведении опорный сигнал будет содержать в себе информацию о временной ошибке, так как его частота будет отличаться от записанной. Если его продетектировать частотным детектором, то мы получим сигнал, амплитуда которого пропорциональна временной ошибке. (Это на первый взгляд все просто, в действительности, разрабатывая математическую модель проектируемого устройства я столкнулся с многими трудностями и ньюансами, игнорирование некоторых, как будет сказано в дальнейшем, привело к полной неработоспособности устройства в целом при абсолютно корректно работающих отдельных блоках и узлах). Затем, если информационный сигнал пропустить через управляемую напряжением линию задержки, на управляющий вход которой подать в соответствующем масштабе и полярности продетектированный опорный сигнал, то произойдет частичная компенсация искажений временного масштаба (полная невозможна теоретически), что нам и требуется.

Принцип цифровой компенсации временных искажений в магнитной записи можно примерно объяснить на таком примере: Представьте себе, что один цифровой отсчет это зернышко. Теперь если эти зернышки сыпать в мешок горстями и через разные произвольные интервалы времени, а высыпать их из мешка через небольшое отверстие внизу мешка, то скорость высыпания зернышек будет постоянной. Аналогия очевидна – мешок это буферная память с произвольной выборкой, зернышки – цифровые отсчеты сигнала, входные горсти зернышек – считанные с магнитофона цифровые данные, а выходное отверстие мешка -считанные из буферной памяти данные с постоянной скоростью. Главное, чтобы скорости записи в буферную память и считывания были примерно одинаковые во избежание её переполнения. На то время уже существовали полностью цифровые линии задержки аналоговых сигналов (даже в нашей лаборатории на одной из первых советских микросхем динамической памяти 565РУ1А), но они были очень громоздкими неэкономичными и дорогими. Недостатком такой системы, на то время, была жуткая дороговизна, запредельное потребление электроэнергии и огромные размеры всего устройства в целом. Ни о каких встраиваемых платах в магнитофон не могло быть и речи.

На то время была уже доступна альтернативная техника – так называемая дискретно-аналоговая, которая в своей основе использовала приборы с зарядовой связью (ПЗС). Привлекательность этой техники заключалась в том, что для дискретной обработки сигнала не нужно было использовать аналого-цифровые преобразователи. Дискретизировались аналоговые сигналы напрямую. Это тогда представлялось очень удобным и считалось, что на какое-то время оттянет переход на полностью цифровую обработку сигналов, пока не будет разработана соответствующая элементная база. На киевском заводе КРИСТАЛЛ с 1979г выпускалась в интегральном исполнении управляемая линия задержки 528БР1 на ПЗС структурах с трехфазным управлением. Очень неудобная и капризная, но другой тогда не было. Моему руководителю удалось раздобыть десятка три этих микросхем. На них и решено было строить компенсатор, и мы приступили к макетированию. Было много перепетий с подключением этой линии задержки. Одно только трехфазное тактирование с амплитудой -24в и крутизной фронта 20нс чего стоило. Но трудности были преодолены, не без потерь микросхем 528БР1 конечно, но мне удалось получить стабильно работающее устройство с динамическим диапазоном около 40дБ и нелинейными искажениями порядка 0,5%. Основной узел был готов, и можно было приступать к проектированию и изготовлению остальных блоков устройства. Неожиданно появилась одна принципиальная проблема. Линия задержки управлялась изменением частоты (точнее сказать периода) тактирующих импульсов, следовательно, для правильной работы линии задержки нужен был периодный модулятор. Другими словами нужен был генератор импульсов, период следования которых линейно бы зависел от управляющего напряжения. Частотных модуляторов было полно, схемотехника известная, а вот информацию о периодных модуляторах я не смог найти нигде. На забывайте – на дворе был 1982 год, интернет существовал тогда в виде жутко засекреченной американской сети DARPA, единственным источником информации у меня была библиотека КПИ. Но, увы, я там не смог найти ничего. Поэтому пришлось придумывать схему периодного модулятора самому.

Решение пришло в голову, как это обычно бывает, совершенно неожиданно. Я подумал, если в классическом частотном модуляторе на базе интегратора – компаратора изменение частоты колебаний производится путем изменения порога срабатывания компаратора, то кто мне мешает менять ток заряда времязадающего конденсатора при постоянном пороге срабатывания компаратора? При этом период колебаний будет линейно зависеть от изменения тока заряда частотозадающего конденсатора. В то время у меня уже был собран частотный модулятор с приемлемыми параметрами. Видоизменив его схему, я получил периодный модулятор с удовлетворительной линейностью. Я долго не понимал, зачем завлаб заставлял меня работающий модулятор засовывать в термошкаф и мерять его стабильность и уход частоты при +60 градусах Цельсия. Потом, много лет спустя, я столкнулся с проблемой термостабильности разрабатываемых устройств и с благодарностью вспоминал свой первый опыт в этом вопросе.

Остальные составные части устройства были классическими, и особо внимания на них заострять не стоит. Единственно хочу заметить, что в процессе этой работы я научился практически рассчитывать, синтезировать и настраивать активные фильтры (ФНЧ, ПФ, ФВЧ), частотные детекторы на базе цифровых методов, сумматоры и интеграторы на операционных усилителях, что сильно помогло мне в дальнейшей трудовой деятельности.

А детонацию измеряли в то время следующим образом: на магнитофон записывался синусоидальный сигнал с частотой 3150 Гц (на этой частоте человеческий слух имеет наибольшую чувствительность). При воспроизведении к линейному выходу магнитофона подключался специальный прибор – детонометр, по сути - частотный детектор со взвешивающим фильтром и стрелочным индикатором на выходе. В распоряжении лаборатории в то время был детонометр 4И. Прибор не был новым, но на то время им были оснащены все лаборатории на заводах, выпускающих магнитофоны для звукотехники. Мне удалось найти в интернете фото такого же прибора:

Когда все узлы устройства были отмакетированы, изготовлены и настроены, настало время соединить все воедино и включить.

И тут наступил момент истины – компенсатор не хотел работать. То есть он работал, но наоборот. Критерием работы устройства были показания детонометра, подключенного к выходу компенсатора. При нажатии кнопки «компенсация» показания детонометра должны были упасть в несколько раз . Но в реальности происходило все иначе – при включении компенсации, т.е. подачи на вход периодного модулятора сигнала с выхода частотного детектора опорного канала, стрелка детонометра упорно лезла вверх и при положении движка потенциометра регулирования амплитуды компенсации в положении максимальной девиации задержки детонометр показывал максимальную детонацию, процентов 10. Всё, тупик, вся работа оказалась бесполезной.

Своеобразие текущего момента еще заключалось в том, что до срока защиты диплома оставалось всего две недели, моя работа была широко разрекламирована в узких кафедральных кругах, и дело чести было довести все до конца. Кроме того, мой куратор диплома от кафедры меня лихо обманул, пообещав, что при рабочем макете можно сократить количество чертежей с 6-ти до 2-х. Потом он, при сдаче очередного этапа дипломного проектирования, сказал мне, что не помнит такого, и чертежи надо делать все, иначе меня не допустят к защите диплома. Вот так: приходит беда – открывай ворота. Но как и все студенты, к концу учебы я все же уже научился выкручиваться из сложных ситуаций. Недостающие чертежи мне сделали мои одногруппники, взамен я им рассчитал для их дипломных проектов схемы усилителей записи-воспроизведения, что для меня тогда не было проблемой, а одной девице я рассчитал эмиттерный повторитель ( и это без пяти минут дипломированному специалисту в области магнитной записи!), взамен за листики с гостовскими рамками для написания пояснительной записки. Сама записка была почти готова, а это около 100 страниц убористого рукописного текста с интегралами и фрагментами принципиальных схем различных узлов устройства.

Оставалось выяснить главное – почему эта жестянка не работает. На осциллографе сигнал ошибки был очень хорошо виден, но компенсатор не работал. Я на стрелочный прибор детонометра уже смотрел со страхом и ненавистью, крутил все регулировки подряд, как в басне «Мартышка и очки» но ожидаемого эффекта не наступало. А время защиты диплома неумолимо приближалось. Мне стало очень обидно, столько труда потрачено, и неужели все напрасно? И тут я начал анализировать последовательно все узлы подряд, с точки зрения математики и идеологии работы системы. И наткнулся на одну непонятную мне вещь. При воспроизведении индукционная магнитная головка выдает напряжение пропорционально изменению скорости потока намагниченности носителя(ленты, проволоки).

Уравнение простое: E = - L х dФ/dt, где E – это ЭДС на выходе головки , L -это индуктивность головки, а dФ/dt – скорость изменения магнитного потока через зазор головки. Это в теории, не учитывая потерь, реальное уравнение значительно сложнее. Но для данной проблемы не это важно. При записи из-за особенности способа записи с высокочастотным подмагничиванием (который применялся в подавляющем большинстве бытовых аппаратов) магнитный поток пропорционален записываемому сигналу. То есть , чтобы получить сигнал управления линией задержки пропорциональный временной ошибке, сигнал с выхода магнитной головки необходимо проинтегрировать , так как он был продифференцирован воспроизводящей головкой. Все вроде бы это понимали, но при разработке схемотехники компенсатора я был подавлен авторитетом завлаба, когда он мне сказал, что вместо интегратора со спадом АЧХ 6 дБ на октаву в этом месте можно поставить обычный фильтр низких частот и все будет ОК. Так как корректирующий усилитель воспроизведения магнитофона уже и так является интегратором. Но он не учел одного – опорный сигнал ( синусоида 22 КГц ) подвергался при воспроизведении частотной демодуляции и интегрировать нужно было сигнал временной ошибки, а не опорную синусоиду. Это, к сожалению, обнаружилось значительно позже. А при разработке схемотехники устройства , я пребывая в святом неведении, применил там очень модный и дефицитный на то время интегральный активный фильтр 298ФНхх с частотой среза 300Гц. При этом частота 300 Гц – верхняя частота сигнала компенсируемой временной ошибки . Но в полосе выделенного частотным детектором управляющего сигнала от 0.3 Гц до 300 Гц АЧХ канала компенсации не имела спада 6дБ на октаву, как того требовало правило интегрирования синусоидального сигнала. Меня это сильно смущало, но в открытую перечить завлабу, который был для меня непререкаемым авторитетом, я не решился.

И вот, когда до защиты диплома оставалась неделя, я дома вечером, сидя на кухне, поделился своей бедой с отцом. Папа мне мудро посоветовал сделать следующее – втихаря спаять на макетной плате интегратор и вставить его после фильтра перед периодным модулятором. Если эффект наступит – победителей не судят, если не наступит – молча копать дальше и никому не говорить про этот эксперимент. Я на следующий день так и поступил – взял новейший на то время операционный усилитель К157УД2, быстренько рассчитал номиналы так чтобы во всей полосе обеспечить спад 6дБ на октаву и вставил в разрыв канала управления. При включении устройства , вначале я увидел привычную картину на экране осциллографа в канале управления, но когда начал крутить регулировку амплитуды компенсации, то стрелка детонометра качнулась и поползла привычно вверх, но картинка на осциллографе изменилась не так, как было раньше, и тут я понял, что крутить нужно в другую сторону, ибо наступила перекомпенсация. Я начал осторожно крутить в другую сторону, и случилось то на, что я уже не надеялся – стрелка детонометра поползла вниз ниже исходной отметки 0,12%, а дрожание информационного сигнала на экране осциллографа резко уменьшилось. Пришлось даже переключить предел измерения детонометра. В итоге коэффициент детонации упал с 0.12% до 0.015%. Почти в 10 раз! Система работала. Когда я позвал завлаба, то он сначала не поверил глазам своим, а потом , собственноручно покрутив регулятор уровня сигнала «компенсация», и найдя чёткий минимум коэффициента детонации особых эмоций не проявил, а только спросил – что я сделал. Я признался, что по собственной инициативе дополнительно поставил интегратор в канал управления. Он меня похвалил. На этом все и закончилось. Мой компенсатор ещё долго использовался в учебном процессе в качестве лабораторной работы, а потом наступила эра цифровой обработки и хранения сигналов. И эта тема стала не совсем актуальной.

Диплом я защитил на «отлично», дипломная комиссия сидела с непонимающими выражениями лиц, когда я рисовал на доске интегралы с отрицательным временем в качестве аргумента функции компенсации, объяснял тонкости работы периодного модулятора. Потом до демонстрации работы компенсатора дело не дошло – на покрытом красным сукном столе не нашлось места для магнитофона, осциллографа и детонометра. Комиссия посмотрела только на внешний вид прибора, а когда настало время задавать вопросы, то один дедушка спросил – А делают ли японцы такие штуковины? После всего выстраданного, я был готов к любому вопросу по теории, схемотехнике и конструкции прибора. Но, что бы такое спрашивать. Мне стало понятно, что люди ничего в этом не понимают и их это абсолютно не интересует. Я разозлился и сказал, что японцы делают такую точную механику магнитофонов, при которой электронная компенсация временных искажений не требуется. На этом все и успокоились. Хотя, как потом выяснилось, делали японцы компенсаторы временной ошибки, еще и какие, но в основном для видеозаписи. А я этот урок запомнил на всю жизнь, что пренебрегать, казалось – бы, на первый взгляд, несущественными вещами в математической модели устройства нельзя. Математика неточностей не прощает. И в результате получаем очередную загадку природы…

Мой завлаб потом по этой теме защитил кандидатскую диссертацию, я считаю вполне заслуженно, а я попал по распределению в НИИ Электромеханических приборов в Киеве и занимался совершенно другими проблемами. Тоже связанными со звуком, но в плане восстановления речевых и музыкальных сигналов на фоне помех. Потом у меня было много трений с начальством, когда люди пытались решать сложные технические проблемы, совершенно не владея математическим аппаратом, не ведая, что их подстерегает и не представляя себе как должна производиться обработка сигналов.