автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Генераторные датчики с улучшенными характеристиками в системах управления

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕНКОВ АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ГЕНЕРАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, профессор Захаров И.С.,

/

кандидат технических наук, доцент Некрасов И.С.

Курск-1999

Содержание

Введение...........................................................................................................4

ГЛАВА 1. Техническое состояние существующих способов построения датчиков генераторного типа и методов улучшения их характеристик..................................................................................................11

1.1. Основные требования к параметрам систем передачи информации с частотной модуляцией..........................................................11

1.2. Аналоговые способы повышения линейности модуляционной характеристики в генераторных датчиках...................................................14

1.3. Аналого-цифровые способы линеаризации модуляционной характеристики генераторных датчиков в устройствах передачи

информации систем управления...................................................................18

Выводы и постановка задач...........................................................................26

ГЛАВА 2. Способы построения и структуры высокоточных генераторных датчиков и устройств контроля девиации частоты............28

2.1. Сравнительный анализ способов стабилизации модуляционной характеристики генераторных датчиков......................................................28

2.2. Способ построения генераторного датчика с каналом коррекции девиации частоты............................................................................................33

2.3. Способ увеличения точности контроля девиации частоты генераторных датчиков..................................................................................46

2.4. Совершенствование структуры построения генераторных датчиков многоканальных систем передачи информации с ЧМ-преобразованием.............................................................................................55

2.5. Оценка влияния полосовых фильтров на точность

многоканальных ЧМ-систем передачи информации..................................61

Выводы.............................................................................................................68

ГЛАВА 3. Генераторные датчики с многопозиционным частотным кодом и их функциональные узлы................................................................70

3.1. Способ построения генераторных датчиков с многопозиционным частотным кодом.........................................................70

3.2. Быстродействующие детекторы ЧМ сигналов.....................................78

3.3. Улучшение параметров преобразователей частоты в напряжение, применяемых в цепях стабилизации девиации частоты генераторных

датчиков...........................................................................................................92

Выводы.............................................................................................................99

ГЛАВА 4. Улучшение параметров генераторных датчиков на логических элементах..................................................................................101

4.1. Уменьшение энергопотребления генераторов прямоугольных импульсов.......................................................................................................101

4.2. Разработка и исследование генераторных датчиков на КМОП логических элементах...................................................................................107

4.3. Исследование двухканального генераторного датчика с периодической коррекцией девиации частоты..........................................113

4.4. Исследование и стабилизация параметров генераторных

датчиков на логических элементах.............................................................119

Выводы...........................................................................................................125

Заключение....................................................................................................126

Список используемых источников..............................................................128

Приложение 1................................................................................................137

Приложение 2................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных систем управления характеризуется двумя основными тенденциями: повышением быстродействия устройств обработки информации при одновременном совершенствовании их программного обеспечения, и улучшением качества средств и систем передачи информации, используемых для преобразования и передачи аналоговых и цифровых сигналов.

Для передачи информации в системах управления в настоящее время широкое применение находит частотная модуляция. Перспективность её обусловлена простотой высокоточного измерения и обработки частотных сигналов, удобством изменения масштаба преобразования, отсутствием искажений при коммутации и передаче сигналов, возможностью непосредственного ввода данных в ЭВМ и высокой помехоустойчивостью.

Надежность и качество систем передачи информации в существенной мере зависят от свойств генераторных датчиков, в качестве которых чаще всего используют ЬС-автогенераторы с управляемым варикапом, емкость р-п перехода которого изменяется под воздействием входного сигнала. При этом наблюдается явное несоответствие между высокой точностью контроля частоты (типичная погрешность цифровых частотомеров не превышает 10"4 - 10"6 %), и сравнительно низкой стабильностью и нелинейностью характеристики преобразования генераторных датчиков, составляющей единицы процентов [1].

Для совершенствования одноканальных средств передачи информации с частотной модуляцией сигнала требуется комплексное решение ряда технических задач, к которым, прежде всего, относятся следующие:

1) стабилизация несущей (или средней) частоты ^ ;

2) стабилизация коэффициента преобразования входного сигнала в

девиацию частоты

3) снижение нелинейных искажений, определяемых либо коэффициентом гармоник Кг, либо коэффициентом нелинейных искажений Кни, приводящих к расширению спектра частот передаваемого сигнала и взаимному влиянию каналов передачи информации ;

4) уменьшение уровня сопутствующей (или паразитной) амплитудной модуляции ЧМ-сигнала;

5) снижение нестабильности несущей частоты, обусловленной влиянием внешних факторов, шумов и фоновых наводок [3,4].

В многоканальных системах управления с использованием генераторных датчиков одним из возможных способов повышения скорости передачи информации частотно-манипулированными сигналами является формирование нелинейного или многоуровневого сигнала вместо обычно применяемого двухуровневого. В настоящее время вопросы, связанные с формированием таких сигналов, рассмотрены недостаточно и требуют дальнейшего совершенствования многоканальных генераторных датчиков для этого метода передачи информации.

Стабилизацию средней частоты £н обеспечивают применением кварцевых резонаторов и использованием аналоговых или цифровых способов фазовой автоподстройки частоты. Вопросы сужения спектра частот и ограничения уровня высокочастотных составляющих передаваемого сигнала обычно решают использованием аналоговых фильтров высокого порядка, а в цифровых системах передачи информации - применением метода минимальной частотной манипуляции. Однако задача, связанная со стабилизацией коэффициента преобразования, уменьшения уровня паразитной амплитудной модуляции в основном зависит от способов линеаризации модуляционной характеристики генераторных датчиков и в настоящее время не имеет

однозначного решения, что требует комплексного подхода к данной проблеме [29].

В частности, для улучшения стабильности коэффициента преобразования генераторных датчиков необходимо увеличивать точность измерения девиации частоты. Известные аналоговые способы измерения девиации частоты при сложных законах модуляции, основанные на формировании гармонического тестового сигнала и измерении среднего значения выходной частоты, не позволяют достоверно оценить свойства генераторных датчиков в реальных режимах эксплуатации, а точность цифровых девиометров в высокочастотном диапазоне ограничивается влиянием методических и инструментальных погрешностей [9, 54].

Сложность реализации датчиков с частотной модуляцией обусловлена как нелинейностью преобразования контролируемого входного сигнала в приращение емкости варикапа и в девиацию частоты так и зависимостью девиации от изменения характеристик применяемых электронных элементов при воздействии внешних факторов. Вследствие этого известные способы совершенствования генераторных датчиков, основанные на предварительном искажении формы входного сигнала, стабилизации статических характеристик активных элементов и применении компенсирующих нелинейных устройств, малоэффективны для целей линеаризации модуляционных характеристик генераторных датчиков в высокочастотном диапазоне [1,2].

Проблеме совершенствования характеристик генераторных датчиков с частотной модуляцией посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых [1-4]. Однако, существенные результаты получены только в области импульсных преобразователей напряжения в частоту, имеющих нелинейность менее (0,01 - 0,001) % в звуковом диапазоне частот, которые выпускаются в виде интегральных

микросхем [5, 6]. При этом генераторные датчики с гармоническим выходным сигналом, работающие в высокочастотном диапазоне, характеризуются сравнительно низкой точностью преобразования и не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к автоматизированным системам обработки информации и управления.

Одним из возможных путей улучшения точности и надежности генераторных датчиков является применение в качестве усилительных элементов быстродействующих цифровых КМОП - микросхем, способных работать с частотой переключения до сотен мегагерц [7, 8].

Использование такой элементной базы позволяет упростить схемотехнику и повысить надежность устройств, обеспечить работу на 50-омную нагрузку и непосредственный ввод информации в ЭВМ, облегчить процессы синхронизации, коммутации и опроса каналов передачи информации в многоканальных системах управления.

Однако, при передаче и детектировании быстроменяющихся частотных сигналов в системах передачи информации появляются динамические погрешности, обусловленные ограниченной полосой пропускания каналов передачи информации и инерционными свойствами применяемых демодуляторов и фильтров. Вследствие этого в процессе совершенствования генераторных датчиков требуется учитывать их взаимосвязь с другими функциональными узлами, обеспечивая улучшение свойств системы передачи информации в целом.

Отмеченное дает обоснование актуальности исследований по проблеме совершенствования систем передачи информации средств управления с частотным преобразованием сигналов сложной формы, которая связана не только с улучшением основных характеристик генераторных датчиков, но и с решением вопросов по передаче частотных сигналов в ограниченной полосе пропускания каналов передачи информации с минимальными динамическими погрешностями.

Целью диссертационной работы является: улучшение характеристик генераторных датчиков на основе разработки и исследования способов повышения линейности характеристики преобразования и точности контроля девиации частоты, а также разработка устройств для формирования многопозиционного частотного кода, обеспечивающего расширение функциональных возможностей многоканальных систем управления.

К основным задачам исследований относятся:

- разработка способа увеличения линейности характеристики преобразования генераторных датчиков с частотной модуляцией;

- разработка способа повышения точности измерения девиации частоты и структурной схемы высокоточного девиометра для контроля генераторных датчиков при входном сигнале сложной формы;

- разработка структурных схем генераторных датчиков для передачи цифровой информации в системах управления с использованием многопозиционного частотно-временного кода;

- разработка схем основных функциональных узлов высокоточных датчиков со стабилизацией коэффициента преобразования;

- разработка способа уменьшения энергопотребления генераторных датчиков;

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, теория устойчивости, теория вероятности, методы спектрального разложения сигналов и преобразования Лапласа.

Научная новизна.

В диссертационной работе решена важная задача по созданию генераторных датчиков с улучшенными характеристиками. Основные научные результаты заключаются в следующем:

- разработан способ увеличения линейности модуляционной характеристики генераторных датчиков;

разработан способ повышения точности измерения девиации частоты генераторных датчиков при входном сигнале сложной формы;

разработаны структурные схемы генераторных датчиков, позволяющие сформировать многопозиционный частотно-временной код с большой информативностью передаваемого сигнала.

Практическая ценность и значимость работы заключается в том, что результаты проведённых в ней теоретических исследований легли в основу инженерных методик технического проектирования генераторных датчиков, что позволило:

- повысить достоверность и скорость передачи информации в системах управления;

- разработать новые структуры построения генераторных датчиков с корректирующим каналом, в которых обеспечивается увеличение линейности модуляционной характеристики;

-разработать структурную схему цифрового девиометра, точность которого не зависит от амплитуды и формы тестового сигнала;

- разработать новые схемы быстродействующих детекторов частотно-манипулированных сигналов, обеспечивающих высокую скорость и избирательность приёма информации от генераторных датчиков в автоматизированных системах управления.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены на предприятии "Научприбор" (г. Орёл) и использованы в учебном процессе. Акт внедрения прилагается к материалам диссертации.

Апробация и публикация результатов работы.

Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы

создания и развития информационно - телекоммуникационных систем специального назначения" (г. Орёл, 1997г.) и на международной научно-технической конференции "Нейронные, реляторные и непрерывно -логические сети и модели" (г. Ульяновск, 1998г.). По результатам работы опубликовано 10 статей в периодической печати и получены положительные решения по четырём заявкам на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержание которых изложено на 138 страницах, содержит 24 рисунка, список использованных источников из 104 наименований и приложение на 2 листах.

На защиту выносятся:

1) способ увеличения линейности модуляционной характеристики генераторных датчиков за счёт применения корректирующего канала с импульсным управляемым генератором;

2) способ увеличения точности измерения девиации частоты для разработки структурных схем высокоточных девиометров;

3) способы структурно-функциональной организации генераторных датчиков с линейной модуляционной характеристикой.

4) усовершенствованные схемы генераторных датчиков и их функциональных узлов, реализуемые на КМОП логических элементах, а также результаты исследований параметров схем.

ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ

СПОСОБОВ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ ГЕНЕРАТОРНОГО ТИПА И МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1 Основные требования к параметрам систем передачи информации с частотной модуляцией

Для обеспечения высококачественного преобразования и передачи сигналов с частотным разделением каналов в различных системах управления необходимы, в первую очередь, стабилизация несущей (средней) частоты стабилизация коэффициента преобразования входного воздействия в девиацию частоты А£ и минимизация нелинейных искажений и сопутствующей амплитудной модуляции сигнала [1].

Анализ современных требований к основным параметрам средств передачи информации систем управления показывает, что в настоящее время стабилизация несущей частоты с основной погрешностью до (10~8- 10"9) % не представляет технической трудности и практически обеспечивается путем термостатирования кварцевых генераторов и применением высокоточных систем фазовой автоподстройки частоты. В то же время вопросы стабилизации коэффициента преобразования, снижения коэффициента гармоник и уровня паразитной амплитудной модуляции в генераторных датчиках являются весьма актуальными и не имеют однозначного решения [11, 12, 54]. Такое положение обусловлено техническим противоречием, присущим самому принципу частотной модуляции. При создании любого генер