автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы и средства для измерения времени установления ЦАП

,;з сд

') ч НОЯ н

' па правах рукописи

МАНЬЖОВ Борис Николаевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ УСТАНОВЛЕНИЯ ЦАП

Специальность 05.11.05 — Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1997

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника» Пензенского государственного технического университета.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Ломтев Е. А.

Официальные оппоненты: д. т. п., профессор Михотин В. Д.; к. т. п. Кутыркин С. Б.

Ведущая организация — НПО «Циркон», г. Пенза.

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д. 063.18.01 Пензенского государственного технического университета 18 декабря 1997 г., в 14 часов, по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» ноября 1997 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета к. т. н., доцент

Крысин Ю. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность работы. Цифровые средства измерений (ЦСИ) нашли широкое применение для автоматизации сложных технологических процессов современного производства и научных экспериментов. Со-•>;рЕвйстЕсвзние ДО! связано с развитием методов и'средств метрологического обеспечения,их■разработки, производства и экспяуата-т::;и. Решение данной задачи-строится на комплексном применении различных типов интегральны;; микросхем. Среди них ЦАП занимают ьзлшое место, т.к. являются одними из ответственны;: узлов боль-п;икства измерительных прйбороЕ, различных средств автоматизации ■ г: других устройств. 1 ^ -

При разработке, изготовлении и эксплуатации ЦАП необходимо измерять и контролировать большее число параметров, характеризуют качество преобразователей. Достоверный и оперативный'контроль параметров -ДАЛ стал особенно актуальным в связи с освоением их массового^ серийного производства отечественной промьпален- ' костью. Решение этой задачи осложняется высокими требованиями к соответствующей измерительной аппаратуре по точности и быстродействию. Зго накладывает -ряд существенных ограничений на организацию измерений основных параметров ЦАП, в особенности динамических, как наиболее сложны;: для определения.

Динамические свойства ЦАП характеризуют временем установления (Туст)• Процесс определения Туст включает в себя измерение по двум координатам: амплитуды (уровню) и времени. Измерения по сбоим координатам выполняются одновременно. 'При измерении амплитуды сумма погрешностей задания образцовых сигналов (установившегося напряжения, границ зоны допуска) и разрешающей способности- сравнивающего устройства не должна превысить доли ('1/10 -1/3) величины зоны установившегося состояния. (Абсолютное же значение погрешности уже для 1й-разрядных ЦАП составляет доли милливольта. Кроме того, сравнивающее устройство, выдержав перег- ■ рузку в полную амплитуду еыхсдиого сигнала ЦАП (до 1СВ), должно • быть готово .воспринять малый сигнал рассогласования и провести его сравнение за время не превышающее единиц процентов от измеряемого временного параметра. ; Ни один современный измерительный прибор (АЦП, осциллограф и т.п.) не обладает необходимым сочетанием точности и быстродействия.

Существующее контрольно-измерительное оборудование для определения динамических параметров. (ДП) цифровых и аналоговых, мик- >'■

росхем, в силу специфики метода измерения ДП ЦДЛ, неприемлемо, или требует существенной перестройки'. В основном для контроля ДП ЦАП используют непроизводительное ручное стендовое оборудование с осциллографячвскши методами сценки ашшгеудшх и -временных параметров переходного процесса.

■ Е связи с этим осуществляется выборочный контроль ДП ЦАП, а из-за низкой точности измерений значительно завышается допуск, из динамические параметры..

Поэтому, создание методов и средств, обеспечивающей высокув точность .достоверность и производительность контроля при умеренных затратах на его проведение является актуальны.:. Цель и задачи исследований.Дедью данной работы является рз^а-ботка методов и технических средств для измерения данзкююскях параметров ЦАП с улучшенными, но сравнен!® с существушнмк, метрологическими и техническими характеристиками.

Решение поставленной задачи возможно к результат«

1. Сравнительного анализа существующих методов и устройств для измерения динамических параметров ЦАП с целью опредеяьхк-: основных направлений повышенна таких измерений.

2. Анализа условий прецизионного вычитания двух аналоговых езя'налов. Разработки, на основе полученных данных, быстродействующего сравнивающего устройства.

3. Разработки и исследования методов быстродействующей фильтрации шумов и помех. •И. Разработки методов и устройств., для аттестации и поверки

приборов для измерения динамических параметров ЦАП. •

5. Разработки структурных схем^.устройстЕ для измерения Густ ЦАП. '

Методы исследования:, При решении поставленных задач использован аппарат теории линейных, цепей и сигналов, теории вероятности и случайных процессов, Достоверность теоретических вывода! проверялась экспериментальным исследованием разработанных устройств.

Научная новизна.

—----------- ,

1.На основании сравнительного анализа существующих методов : средств для измерения динамически параметров ЦАП определены наиболее перспективнее -направления, повышения точности и доото; гр-кости таких измерений.

.2.Выполнен анализ погрешностей дифференциальных уг-шштелей позволивший разработать способ прецизионного вычитании дьу: пап

ряжений с автоматической коррекцией погрешностей 'используемых элементов. Способ универсален и может быть использован как при вычитании постоянных, так и переменны:; напряжений.

3.Получены формулы для расчета погрешностей дифференциальны-: усилителей и коэффициента ослабления синфазной составляющей в ^.:\2исимс-сти от погрешностей используемых элементов.

4.Разработано и исследовано устройство для прецизионного вы--'.Глашщ двух напряжений. Проведенные исследования - позволили он-' Гвделкть- требования к "узлам и основные направления совершенствования таких устройств.

5.Предложен и исследован ноеый' способ задания напряжения, с : которым 'сравнивается сигнал переходного процесса при измерении времени установления, без точного измерения установившегося яап-ряления на Еыходе ЦАП.

6.Выполнены экспериментальные .исследования основных статических и динамических параметров интегральных ОУ к методов их улучшения. Получены оригинальные данные, позволившие разработать способ коррекции динамических погрешностей при измерении времени установления ЦДЛ, способ я устройство для аттестации и поверки приборов для измерения динамических параметров ЦАП.

7.Предложен способ устранения ошибки датирования при измерении времени установления измерительных модулей ЦАП в измерительно-вычислительных системах типа КАМА.К.

8.Предложен способ выделения сигнала переходного процесса иг гсумов>и помех:'' Способ фильтрации основан на том, что вероятность совпадения на К интервалах времени событий, заключающихся в пересечении исследуемым сигналом границ зоны допуска больше для событий вызванных детерминированным переходный процессом.

Практическая ценность. В результате теоретических исследований: '

1.Разработаны способ- и устройство для выделения разностного

сигнала. Предложенный способ выделения и коррекции погрет- ' ностей позволил выполнить узел выделения разностного сигнала без прецизионных Элементов. ' ,

'2.Данные, полученные в результате экспериментального исследования ОУ дозволили разработать:

- алгоритм измерения Туст ПАП с коррекцией динамических погрешностей ОУ, вызванных конечной скоростью изменения его выходного напряжения . Алгоритм основан на использовании приведенной шкалл. времени. ' , ■ .'•'

- метод метрологической аттестации- и поверки приборов для измерения Туст ЦДЛ. Для их проведения предложено на вход поверяемого прибора подавать прямоугольные импульсы известной амплитуда и длительности. Предложено устройство для формирования прямоугольных шпуль сов. '

- обосновать границы применения серийных микросхем быстродействующих ОУ для измерения динамических процессов.

,. 3..Предложенный способ фильтрации ауша и сигнала перехода:;:о процесса позволил повысить достоверность и производительность контроля динамических параметров ЦДЛ.

4.Полученные результаты являются основой для разработки пук-боров для измерения Бремени установления ЦАП с улучсегшымп характеристиками.

Апробация работы. Основные положения диссерташганшй работа« обсуждались л докладывались на VI Всесоюзной, конференции "Пр-;б-'1эш метрологического обеспечения систем обработки взмвряхехьвой информации" (г.Москва, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Пути повышения эффективности контроля параметре:; баст-родэйствуюцих больших и сверхбольших интегральных схем",(г.Вильнюс, 1938); III Всесоюзной конференции "Метрологическое'обеспечение ИЙС и АСУ ТД" (г.Львов, 1990); Всесоюзной научна-технической конференции "Контроль и диагностик радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники"(г.Пенза, 1930); республиканской научно-технической конференции "Теория и проектирование электронных вольтметров и средств их поверки"(г.Таллин, 1390). Кроме того, работа получила апробацию на предприятиях при каюл-нении хоздоговорных НИР. 4

Публикации. По материалам диссертации опубликовано S пачат-ных работ, из них 1 ааторское свидетельство.

Структура и обьем диссертации. Работа состоят из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 1S6 наименований и приложений. Содержание диссертации изложено на 135 страницах мааико-мисного текста, иллюстрируется 90 рисунка;,;;! и диаграммами, 19 таблица!«'.. i

' КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, с&сс-мулироЕана цель и задачи, решаемые в райоте, изложены ос) овкие . положения и зыаоды, завещаемые автором.

1 В первой главе выполнен анализ -динамических параметров (ДП) ■ }АП с точки зрения соответствия их потребностям практики,'систематизированы' методы и средства для измерения Бремени установле-ЦДП, рассмотрены методы аттестации и поверки приборов для ггмерения динамических характеристик ЦАД, ' определены основные п.-.сблемы и задачи которые необходимо решать при разработке аппаратуры для измерения динамических- параметров ЦДЛ.

Состав параметров к методы их определения устанавливая! ГОСТ 24735-81 "Преобразователи интегральные цифроаналогоЕые и анало-гсцкфрозые. Основные.параметры" и Р050-206-80. "Методические указания,. Нормирование и определение метрологически:! характеристик измерительных преобразователей кеда в постоянное напряжение ' и ток". • '

Время задержки, время нарастания, амплитуда-выброса при серийном выпуске ИС ЦАП не измеряются и в ТУ на ЦАД не«приводятся. Они характеризуют отдельные части кривой переходного процесса, но не его длительность. Кроме тоге, они сильно зависят'от усло-р.ид, в которых используется ЦАП.

Длительность.переходных - процессов ЦАП, его быстродействие полностью характеризует время установления выходного сигнала. Поэтому, когда говорят об измерении ДХ ЦДЛ, имеют в виду измерение времени установления выходного сигнала ЦАП. Решению этой задачи посвящены все опубликованные работы по динамике ЦАП.

^С целью 'уточнения задач проводимых исследований в работе выполнен обзор и анализ суцесгвушцж прямых к косвенных методов измерения динамически, параметров ЦАП.' - ,

Анализ технической литературы показывает; что несмотря на больше число работ по определении ДП ЦАП, промышленное освоение приборов для их-измерения пека отсутствует. Для контроля ДП ЦАП используют непроизводительное ручное стендовое оборудование с осциллаграфтескими методами измерения амплитудных и временных параметров переходного процесса. 3 связи с этим осуществляется -выборочный контроль ДП ЦАП, а из-за низкой точности измерения завышается допуск на динамические параметры. |

Существующие опытные приборы для измерения Тусг ДАЛ выполне-чн на основе стробоскопических преобразователей. Однако, ограничения, присуще преобразователям не позволяют использовать их при контроле ЦАП с числом разрядов больше чом 6-3.

Для определения. ДП многоразрядны* ДАЛ ньяболзе перспективен • метод прямого измерения Туст.Внедрение этого метода в практик;'?'

?

контроля ДП ограничено высокими требованиями, предъявляемыми к

сравнивающем/ устройству по быстродействию к точности.

Для реализации метода прямого измерения Туст ЦДЛ необходима:

1." Разработать ■ устройство для прецизионного сравнения спгна-. лез быстропротекающих процессов. Погрешность сравнения не Солее (0,1-0,2) ЕК1Р контролируемого ЦАП.

2. Разработать быстродействующий усилитель с малш временем еосстзноелэния поел* перегрузок. Усилитель не должен исказка';;-длительнсс-ть дронтов сигнала переходного процесса ЦАП.

3. г ¿работать способ и устройство для формирование уровня, с^зтветстаухиего Ееличкне Пуст ЦАП с ■ погрешностью нз

(О,1-0,2)ЕМР.

4. Разработать способ и устройство для быстродействующей фкльтрацге: аумоа и помех при измерении Туст.

5. Обеспечить независимость результата измерения Туст от вида переходного процесса. Для этого необходимо разработать способ и устройство для формирования и измерения норзтквх кюгеевзлел» времена накссекунднзго я ыикросехундного дкззаэока соотсетствув-гах Туст при отсутствии априорной информация о виде переходного посиесса а ЛАП.

Етсрая гдзза посвящена теоретическое обоснования способа прецизионного сравнения дзух напряжений ц описание устройств реализующих этот способ.■

»Большинство сравнивающих устройств (¡ЗУ) выполняется по традиционной'схеме: дифференциальный усилитель-компаратор. Чувствительность и быстродействие СУ, диапазон допустимых входа®. н5д-ряжаянй, коэффициент ослабления синфазной составляющей (КОСО) и ряд других параметров в значительной степени определяет рзнциэльный усилитель (ДУ)..

Проведенные обзор патентной и технической литературы выявил достаточно парадоксальную картину; несмотря на иарское использование дифференциального метода измерена, имеется всего несколько работ, посвященных'анализу погрешностей вычитания двух,напряжений, зависимости коэффициента-ослабления синфазной ссставллв-лей от .элементов ехэш. Величина КОСО в ДУ определяется аогрес-нос'Яаыа аепольг-уешх сопротивлений.- Каких-либо методов автоматической регулирзвкч КССС не выявлено. Повышение КОСО микросхем ОУ достигается, в оснозмсм, уменьшение«' разброса параметров 5леу.;.-н-тсв'диОДерешиэльныг. каскадов усилителя, т.е. чисто гу.чнглоги-ческим л уем..

• Из всех разновидностей схем ДУ выделены три (рпс.1). Остальные схемы ДУ являются варианта!,«! этих трех схем :: призваны устранить тот или иной недостаток: низкое гя.дзсе ссярсткьгепгх, г?к;ма:»звисккость регулировок коэффициента усиления и КОСС г. г.д. Схему на рис.16 принято называть суммирующим усилителем , ГС). Сигнал на его'Еых'оде будет пропорционален разности двух ."загрялекш! только при усилении сигналов имеюак разнк- знаки. На основе разработан ДУ на двух 0" в- инвертирующем включении :: ;.'Г.д других схем (рие.»з).

Ш -о-

„ ю I

а)

б;

- Рис.1

Напряжение на выходе ДУ,схема которого приведена на {рис.1а, равно: -. . ,. •

из * ди-ку + иг-ку-^-^-+ идр;

• НК1+Ку(1ЧН?2)

?КОСС

равен:

. H-5R1+Ky (1+5R2) 1

. КОСО = 20lg(U2/U3) = 20 lg--* 20ig--;

, Ку(5R2 - SRI) ' SR2 - SRI

где R2 = R1 + ДК1 = Rl(i + SRI)

. R3 = R4 + ÜR2 = R4(l + 5R2) R4/Rl=Ky - коэффициент усиления ДУ. идр - напряжение на выходе ДУ при U1=U2=0.

Напряжение на выходе ДУ,схема которого приведена на рисл С равно:

SRI

из = Ли-Ку - U2'Ky------ идр;

1 + 5R1

КОСС равен

1 + 5R1

КОСС = SOlg-

Ку SRI

где R2 = RI + ÛR = RI (1 + BRI);

, R3/R1 = Ку - коэффициент усиления ДУ.' Напряжение на выходе ДУ,схема которого приведена на рисЛв, равно: .

V ' 6R2 - 5R1

КОСС равен

U3 = ÜU-Ky - U.2-Ky—--+ идр; -

' •■ 4 . 1+5R2 .

' V.

1+SR2

коса - 2Qlg --

Ку (SR2 - SRI)

где R2 = Rl + ÖR1 = Hl(1 + SRI); ! '

" R4 = R3 + ÜR2 = R3(l + 5R2);

■R5/R3 = Ку - коэффициент усиления. j

•-.Полученные уравнения показывают, -что напряжение на выходе ДУ можно представить з виде двух составляющих-, информативно», ?г.ап-сящей только от дифференциального ■ напряжения Ди и н£пр.з»гш:з, зависящего только от синфазного напряжения U2 и погрешностей не--пользуемых элементов (неинформатшшая сосхашаетаея).

Ее виг-/, схема:;, мзмокко, независимое от р{.*г7лирс1к./ коэфёл'

1С

циента усиления ДУ, изменение КОСО. При изменении КОСС коэффициент усиления ДУ не изменяется. Наибольшее значение КОСС имеет ДУ схема которого приведенарна рис.1а.

Ео всех рассмотренных ДУ при Ди=0 выходной сигнал усилителя равен неинформатинной составляющей. После ее компенсации выход- • ной сигнал ДУ будет пропорционален только дифференциальному напряжению.

Проведенный анализ позволил разработать способ и устройство для прецизионного вычитания двух напряжений (УВРС). Споссб заключается в том, что для выделения нешформатиЕной составлявшей оба входа ДУ замыкаются на источник синфазного напряжения и , при постоянна»! синфазном напряжении, напряжение с Екхода ДУ запоминается е аналоговом запоминающем устройстве, а затем, с противоположным знаком, подается на вход ДУ, для компенсации неинформативной составляющей. Если синфазное напряжение изменяется, то регулируют один из резисторов ДУ, изменяющий КОСС и не ьш'кк-жг на коэффициент усиления. В обоих случаях коррекция заканчивайся при равенстве нулю напряжения на выходе ДУ, что соответствует компенсации неинформатизной составляющей. После проведения коррекции, входы ДУ размыкаются и напряжение на его выходе будет зависеть только от дифференциального напряжения.

Предложен способ задания образцового . напряжения, соответствующего иуст, без его измерения.. Предлагаемый способ задания Пуст позволяет, применить в качестве источника образцового сигнала, • ЦАП ;.{екее точный, чем контролируемый или аналоговое запо-ь.янЬощее устройство.

' выполнен анализ погрешностей устройства для прецизионного вычитания двух напряжений. Проведенный анализ' позволил разработать структурную схему УЕРС с улучшенными характеристиками. -

Разработана структура сравнивающего устройства с автоматической коррекцией всего измерительного тракта УВРС - компаратор (АЦП). .

Исследования макетов разработанных приборов показали,"что их основные технические характеристики согласуются с теоретическими данными. ■ , ;

В_тр.'тьей главе приведены результаты экспериментальных исс-ледог-гыт АЧХ и СИХ ОУ без обратной связи и в различных схемах включения, переходных характеристик, методов повышения быстродействия ОУ. Сановное внимание уделено быстродействующим ОУ.

К усилителем, используемым при измерении Туст предъявляются

достаточно! специфические требовании - широкие динамический диапазон и полоса пропускания, высокое бистро-действие, быстро-восстановление после перегрузки, усиление импульсных сигнала: без изменения..'длительности фронтов и т.д. Кроме частоты единичного усилена« и максимальной скорости нарастания гыходкого кет-ряжения, другие параметры, характеризующие переходной прсцс-:^ • □У не нормируется. Линейная модель ОУ макет дать только приблизительные' оценки переходного процесса. При усилении юхг/гьа-с сигналов, а тем более сигналов, вызывало: насыщение, ОУ ведь: себя как нелинейная система. Данные для ее списания могут Сне: получены толь в; экспериментальна,; путем.

Длительность переходного процесса е быстродействующем ПА1 соизмерима с длительностью переходного процесса в серкйновыпус-каемых быстродействующих С'/,' а ;:ри насыщении ОУ может быть ] значительно меньше. В литературе описано много методов улучиени: параметров, характеризующих быстродействие ОУ. Однако приводимы' данные часто носят рекламный .характер - улучшение параметра оценивается качественно., не сговариваются ограничения по применен!.-метода и его влияние на другие параметры определяющие быстродействие усилителя.

' Проведенные экспериментальные исследования показали, чт( представление ОУ звеном первого порядка не отражает всего многообразия АЧХ и ФЧХ и переходных хара!-:теристик.

' По виду- АЧХ ОУ целесообразно разделить на три группы: • ОУ имеющие, наклон АчХ 20 дб/дек во всем частотном диапазон' 2. ОУ имеющие протяженную плоскую вершину АЧХ . -3. ОУ АЧХ которых, занимает промежуточное положение между 1-0; •и 2-ой группами. 1 .

■ установлена, что между АЧХ, ФЧХ и переходными характеристиками: ОУ нет однозначной связи. ОУ, имеющие одинаковые АЧХ могу име.ть различные ФЧХ и переходные характеристики.

Математическая модель ОУ должна учитывать ■ внешние и внутренние связи; реальные вольтамперные и амплитуда-частотные характе-, ристики полупроводниковых элементов и технологию изго^овлени: ■ м.с. Без учета этих параметров получаемые оценки не будут соответствовать . реальным. .

Проведенные исследования показали, - что для определения иска' ' яэнил усиливаемого сигнала и измгненш.',полосы усиливаемых часто1 при, перегрузке усилителя целесообразно ввести параметр, характе-рйзухлщгй .задержку качана изменена»:., выходного напряжения ОУ поел'

снятия сигнала на-входе - Тзад. Бремя задержки это интервал вре- ■ меня от момента при котором Ubx = инас/Ку до момента времени когда выходное напряжение усилителя войдет э'активную область (инас - напряжение насыщения ОУ, Ку - коэффициент усиления СУ с ООС). Для большинства ОУ Тзад=Г (Ky.ltex).

Для сценки искажений, ' вносимых ОУ в усиливаемый сигнал, необходимо учитывать АЯХ, ЗЧХ и переходные характеристик::, полученные для прямоугольного импульса и импульса с неотвесным фрсн-

По виду переходной характеристики ОУ можно разделить на две группы:

1. ОУ с поле выли транзисторами (ПТ) на входе;

2. ОУ с биполярны!,«: транзисторами (БП) на входе.

Такое разделение определено тем, что переходной процесс е СУ

с ПТ на входе описывается только экспоненциальной функцией, тогда как у ОУ с БП на входе переходные характеристики более разнообразны.

По зависимости скорости изменения выходного напряжения от амплитуды зходного сигнала Usx и коэффициента усиления Ку СУ можно разделить на три группы:

1. Максимальная скорость изменения не зависит от Ку и Ubx;

2. Максимальная скорость изменения зависит от Ку, от Ubx

не зависит;,

3. Максимальная скорость изменения зависит от Ку и Uex. г По зависимости Тэад от Ку и Ubx ОУ делятся на две группы:

1. Тзад не, зависит от Ку и Ubx;

2. Тзад зависит от Ку чи Ubx;

Переходные характеристики, полученные для прямоугольного импульса не полностью характеризуют переходной--процесс, ■ в ОУ. Установлено, что в зависимости от реакции ОУ на'.входной импулэс с нго-гнесным фронтом все ОУ можно разделить на дзе группы:

1. ОУ инвариантные к изменению длительности фронта при усиле-. ,. .кии сигналов, изменяющихся со скоростью" большей, чем максимальная, скорость изменения напряжения на выходе ОУ. ,

2. ОУ изменяющие длительность фронта при усилении сигналов, гзу лгяющихсн со скоростью большей, чем максимальная ско-.'"■сть изменения выходного напряжения ОУ.

Для систем моделирования аналоговых устройств проведенная систематизация АЧХ и переходных характеристик ОУ ысжет позволить перзйтп о'.' разработки прецизионной модели для каждого ОУ к рэз-

работке ее для группы ОУ, имеющих близкие' АЧХ, <£>ЧХ и переходные характеристики.

Установленные зависимости усиления' импульсоЕ с кеотвескым фронтом позволили предложить метод измерения Туст с использованием "приведенной шкалы времени". Предложенный метод позволяет использовать серийновыпускаемые ОУ для оденет динамических. параметров ЦАП наносекундного диапазона. •

Проведенные экспериментальные исследования существующих методов повышения быстродействия ОУ позволили определить гранит; применения методов. Показано, что из-за специфических требований, . предъявляемых к усилителям при измерении Туст повышение быстродействия ОУ можно достигнуть только, при комплексном использовании этих методов.

В четвертой главе приводятся результаты практических разработок устройств и алгоритмов обработки информации, разработанных для измерения Туст ДАЛ. В ней решаются следующие задачи:

- описание структурной схемы прибора для измерения Туст ЦОД

- использование микропроцессоров и однокристальных микрсЗБМ

для управления процессом измерения и обработки информации;

'- - измерение Туст ЦАП в измерительно-вычислительных системах т

па КАМАК;

-.фильтрация" шумов и помех; .;

- поверка'и аттестация приборов для измерения Туст-

УВРС и,способ задания иУст. предложенные в главе 2 позволили разработать устройство для измерения времени установления ДАТ с автоматической коррекцией погрешностей отдельных узлов. Дле задания' Цуст используется аналоговое запоминающее устройство. Структурная, схема устройства оригинальна и защищена авторски;, свидетельство.. ,

Измерение времени установления основано на сравнении сигнала с выхода ЦАПх при переходном процессе не с номинальным, а реальным значением установившегося напряжения иУст> выделения разности между ними и сравнении ее с допуском. Напряжение иУст &0Р" мируется непосредственно из выходного сигнала контролируемое ЦАП. Результат измерения Туст не зависит от вида переходной процесса.' .',''. .

Процесс. измерения ТУСт состой? гз нескольких тактов: -..1. Запоминание иуст; ' ' : .'■ ^.Компенсация погрешностей; -'■ 3.- Измерение Туст;

Разработан модуль . для контроля Туст измерительных модулей ХАП системы' КАМАК,

Интерфейс КАМАК не допускает одновременного обращения к нескольким модулям. Поэтому, возникает пауза между изменением кода за входе ЦАП и началом измерения Туст. Ее величина зависит от быстродействия .контроллер крейта и ЭВМ, алгоритмов, использо-еенннх в программе и языка, на котором написана программа. Величина паузы может быть.такой, что к моменту Бремени, когда модуль ИБУ начинает измерение Туст, переходной процесс в контролируемом ЛАП монет уде закончиться.

Предложен алгоритм измерения Туст модулей ЦАП системы КАМАК и разработан измерительный модуль, реализующий этот алгоритм. Лля управления модулями ИВУ и ЦАП используются стандартные команды интерфейса КАМАК. Результат измерения ТуСт не зависит от нелэтины паузы между моментами обращения ЭВМ к модулям ЦАП и И2У. Разработанный алгоритм универсален и не требует проведения каких-либо регулировок.

Предложенный способ устранения погрешности датирования осно- . вал на дешифрирование команд, предназначенных "чужому" модулю. Это позволило синхронизировать изменение кода на контролируемом ЦАП и начало измерения переходного процесса.

Разработана микропроцессорная система управления и обработки данных (ШСУ) для управления процессами измерения ТуСт ДАЛ и самоконтроля устройства для измерения' Тусх. ШСУ выполнено на ос-кове однокристальной микроэвм (ОЭБМ) 1815ВЕ35. Еыбор ОЭЕМ определен тем, что по сравнению с микропроцессорами (МП) они имеют более развитую систему ввода-выйода, резидентное ОЗУ данных, таймер, внутренний тактовый генератор, восьмкуровневый стек. Все это позволяет сократить объем дополнительного оборудования. Быстродействие 8-разрядных МП и ОЭВМ,. вычислительные возможности и система прерываний - примерно одинаковы.

ШСУ представляет собой единый комплекс аппаратно-программных средств. Разделение операций, реализуемых программным и аппаратным путем определяет быстродействие ОЭЕМ. Оно ограничено тактовой частотой и необходимостью последовательного выполнения команд программ. .

Региональное разделение выполняемых операций между аппаратными, и программными средствами ШСУ и использование нестандартны;; приемов при делении и преобразовании двоичного числа в двоично-десятично;*, позволили ограничиться небольшим объемом аппа-

ратных средств и разрасютать компактную программу' управления и обработки данных. Обь ем программы 247 Сайт.'

Приборы, разработанные для измерения времени установления ЦДЛ тлеют следующее характеристики: •

диапазон измерения ТуСт> мкс

настольный прибор...........'.......................1 - 255 .

Модуль-КАМАК......................I......1 - 16000 '

Зона допуска, мВ........1..................0,5 - 10

Диапазон изменения

выходного напряжения ЦАП, В......-...-10,24 -»■ 10,24

. Погрешность измерения Туст>мкс,<____.¿(0,01-Туст+1)

■Предложен способ выделения (фильтрации) сигнала переходного . процесса-из шумов и помех. Способ фильтрации основан на тал, что вероятность совпадения на К" интервалах времени событий, вызванных переходным процессом,. значительно больше вероятности совпадения событий вызванных шумом. Показано, что для определенна основных характеристик фильтра случайный процесс можно представить в виде точечного пуассонсаского процесса. Получен^ уреб"°Ш!я, позволяющие определить основные характеристики фильтра.

Предложенный способ фильтрации позволил сократить время измерения не менее чем в 103 раз по сравнению с методом "обратного ' стробирования".' ;. ,

'Разработано устройство для проведения аттестации приборов для измерения времени установления ЦАП. Устройство позволяет определить 'величину зоны допуска и погрешность измерения Туст, вызванную переходной характеристикой усилителя, временем выхода из насыщения и задержками в цифровых элементах прибора.

- % ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ,РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЮТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:

'1.Проведенные исследования показали, что имеет место определенное отставание нормативно-технической документации (НТД) и технических средств от потребностей практики. Наиболее распространенным средством для измерения уна,-мических параметров ЦАП служит осциллограф. Действующая Н1Д ограничивает определение динамических характеристик ЦАП измезентем параметров переходной , характеристики. 1 Проведение каких-ди'.>с других испытаний не пре-' дусмотрено. . • ' . ' ■ , -:

• '.,'й.проведенный сравнительный -;анализ существующих методов и средств, _измерения динамгческих параметров ЦАП «оказал, что наи-

"16 V " '

более.. .перспективным. методом- для измерения Туст "многоразрядны): ЦАП является компараторный метод с предварительным усилением сигналов.. • ' •

' : - 3.Теоретически обоснована возможность представления напряжения, на выходе дифференциального усилителя в виде двух составляющих: информативной, зависящей -только от дифференциального напряжения и неинформативной, зависящей только от синфазного напряжения и погрешностей используемых элементов. От дифференциального напряжения неинформативная составляющая не зависит. Показано, что при ее' компенсации напряжение па выходе дифференциального усилителя будет пропорционален только дифференциальному напряжению. Определены условия при которых возможно проведение такой ¡компенсации.

4.Проведенный теоретический анализ позволил разработать способ и устройство для выделения разностного сигнала с автоматической коррекцией погрешностей используемых элементов. ; 5.Экспериментально исследованы основные статические и динамические параметры интегральных ОУ и методы их улучшения. Установлено, что между АЧХ, ФЧХ и переходными характеристиками ОУ кет однозначной связи. ОУ, тлеющие одинаковые АЧХ могут тлеть различные ФЧХ и переходные характеристики. Представление ОУзвеном первого порядка не отражает Есего многообразия АЧХ, ФЧХ и переходных характеристик. Переходные характеристики, полученные для прямоугольного импульса, не"полностью описывают переходные процессы в ОУ. ■

Данные, полученные в результате экспериментального исследования ОУ позволили разработать:

- алгоритм измерения Туст ЦАП с коррекцией динамических погрешностей ОУ, вызванных конечной скоростью изменения его выходного напряжения . Алгоритм основан на использовании приведенной шкалы времени. ' '

- метод метрологической аттестации и поверки приборов 'дт измерения Туст ЦАП. Для их проведения предложено на вход поверяемого прибора подавать прямоугольные импульсы известной амплитуды и длительности. Предложено устройство для формирования прямоугольных аил ль-лов.

7.Предложен способ выделения сигнала переходного процесса и? •лумцв и псмех. Споссб фильтрации основан на том. что вероятность совпадения на К интервалах времени событий, заключающихся в пс-¿«сеченга иссхбдуомым сигналом границ зоны допуска больше для

, событий вызванных детерминированным переходным процессом. Для определения основных характеристик -'фильтра случайный сигнал представлен в виде точечного пуассоновского процесса.

8. В результате проведенных исследований разработаны прибора для иэмерения,.;'Густ ЦАП.

Основное содержание диссертации опубликовало в работах:

1.A.c. 1621172 HQ3M 1/10. Устройство для измерения времен; переходного процесса. Маньжов E.H., Шиндов 'B.C.,Шлыков Г.П. опубл. 1991, Вол. N2.

2.Маньжов Б.Н., Сальникова Г.А. Преобразователь разноси двух напряжений в амплитуду импульса. Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз.сб.нзуч.тр. - Пенза: ППИ, 1935, Вып.15 - С.89-92.

3.Маньжов Б.Н. Результаты экспериментальных иеследованш быстродействующих операционных усилителей.-Тезисы докладов чет-:вертой секции республиканской научно-технической конференции-"Теория и проектирование электронных вольтметров и средств из поверки".- Таллин, 1990.- С.27.

', 4.Маньжов Б.Н; Устройство для измерения времени установлении ■ цифроаналогового преобразователя. . -Цифровал информационно-измерительная ■ техника: Межвуз.сб.научн.тр. Пенза: ППИ, 1982, Вып-,12.- С. 145-148. ■

5.Маньжов Б.Н., Шиндов B.C. Метрологическое обеспечение измерений времени.установления ЦАП- Тезисы докладов второй секцш VI-,Всесоюзной конференции "Проблемы метрологического обеспеченш систем"обработки измерительной информации", Москва, 1937.

fБ.Маньжов Б.Н., Шлыков Г.П. Микропроцессорная система дл; измерения времени установления ЦАП- Тезисы докладов Всесоюзно; научно-технической конференции "Пути повышения эффективное^ контроля параметров быстродействующих больших и сверхбольших интегральных схем", Вильнюс,1988. . •

1 7.Маньжов Б.Н. Метрологическая аттестация и поверка систе! . для измерения времени установления ЦАП. -Тезисы докладов II 'Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение .MC 'и- АС ПГ; Львов, 1990. . -, .. ? „ _ •*.-

8. Маньжов Б.Н. Устройство для'измерения длительности пере-1 ходного процесса. -Тезисы докладов Всесоюзной научно-техническо: конференции, "Контроль и диагностика радлоэлектронной аппаратур] ¿.изделий' электронной техники", Еонза, 1990.