Оцінка технологічної доцільності функціональних перетворювачів із змінною розрядністю для вимірювальних систем реального часу з обмеженими ресурсами

Abstract

Стаття присвячена порівняльному аналізу двох підходів до функціонального перетворення сигналів у сенсорних системах Інтернету речей: традиційної архітектури «АЦП + мікропроцесор» та число-імпульсних функціональних перетворювачів із змінною розрядністю (ЧІФП із ЗР). Число-імпульсні функціональні перетворювачі із змінною розрядністю широко використовуються для опрацювання число-імпульсних кодів (ЧІК) в процесі їх надходження. Вони забезпечують розширення динамічного діапазону по вхідному ЧІК теоретично у будь-яких заданих межах. Технологічна доцільність використання таких перетворювачів у вимірювальній техніці, порівняно з іншими типами ЧІФП, може визначатись показниками, що характеризують кількість елементів різних типів, необхідних для їх реалізації, залежно від основних метрологічних характеристик. Для об'єктивного порівняння додатково введено формалізовані показники обчислювальної та структурної складності, а також інтегральний критерій технологічної доцільності. На прикладах таких функціональних перетворювачів, як обернено-пропорційного, логарифмічного та кореня квадратного продемонстровано переваги ЧІФП із ЗР. Вони забезпечують у 1,5 – 3 рази вищу технологічну доцільність порівняно з табличними (LUT/ПЗП) реалізаціями при незмінних метрологічних вимогах. Результати FPGA-синтезу підтверджують переваги ЧІФП із ЗР за апаратними витратами та швидкодією для edge-вузлів з обмеженими ресурсами. Показано, що зростання структурної складності для ЧІФП із ЗР при розширенні динамічного діапазону є близьким до лінійного, тоді як для табличних рішень – експоненціальним. Отримані результати підтверджують доцільність використання ЧІФП із ЗР, як альтернативи традиційним АЦП-орієнтованим архітектурам у вимірювальних системах реального часу, зокрема в автономних сенсорних вузлах та edge-модулях IoT з обмеженими ресурсами.