автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Подсистема автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей

На правах рукописи

ЗОЛОТОВ Артем Николаевич

ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2013

005533982

Работа выполнена на кафедре «Основы нанотехнологий и теоретическая физика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Руфицкий Михаил Всеволодович, ВлГУ, г. Владимир

доктор технических наук, профессор Кобзев Александр Архипович, ВлГУ, г. Владимир

кандидат технических наук, доцент Кузнецов Николай Александрович, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева», г. Ковров

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва

Защита диссертации состоится «22» мая 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 ВлГУ по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1.

Ведущая организация

Автореферат разослан «18» апреля 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент / /&У Н. Н. Давыдов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время устройства с цифровой обработкой сигнала (ЦОС) стали неотъемлемой частью повседневной жизни. ЦОС применяется в самых разнообразных системах - от мобильных телефонов, компьютерных модемов, телевизоров, МРЗ- и DVD-плееров до систем голосового трафика по IP-сетям, медицинской аппаратуры, навигаторов автомобилей и т. д. Быстрое развитие вычислительной техники и элементной базы ведет к увеличению скорости, объема передачи данных и расширению области применения систем с ЦОС.

Одними из основных элементов в системах ЦОС являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), так как во многом от них зависит скорость и точность работы системы. Большинство выпускаемых серийно АЦП и ЦАП имеется ряд недостатков, накладывающих ограничения на создание высокоскоростных многоразрядных систем. Одним из основных недостатков является уменьшение разрядности системы при необходимости повышения скорости преобразования. Вариантом решения задачи может явиться переход от электронных устройств к оптоэлектронным преобразователям, где аналого-цифровое преобразование будет выполняться в оптическом виде.

К первому оптоэлектронному ЦАП можно отнести патент Пола М. Рейни «факсимильная телеграфная система» на основе пятиразрядного импульсно-кодового модулятора (ИКМ). Данная работа опубликована в 1921 году в Western Electric. Дальнейшее развитие АЦП и ЦАП было направлено на разработку электронных преобразователей. Исследованием и проектированием таких АЦП и ЦАП занимаются ведущие фирмы-разработчики микроэлектроники: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, Analog Device, Burr-Braun и другие.

В Российской Федерации также проводятся исследования в области оптоэлектронным цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ОЭЦАП и ОЭАЦП); этими вопросами занимались Б.И. Волков; М.Я. Яковлев, В.Н. Цуканов, Кулиш О.А., Векшин М.М. и другие. Основы автоматизации проектирования подобных систем изложены в работах: В.Н. Ильина, Г.Г. Козенова, И.П. Но-ренкова, М.Н. Ушкара, В.А. Сорокопуда, В.Н. Талицкого и других.

При проектировании оптоэлектронных преобразователей необходимо учитывать большое число параметров, зависящих от области использования ОЭЦАП и ОЭАЦП. Разработка программных средств автоматизации проектирования позволит расширить сферы применения оптоэлектронных преобразователей, сократить трудоемкость, сроки, себестоимость, а также повысить качество и технико-экономический уровень разработки. Особенно большие сложности возникают при автоматизации проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Объект исследования. Оптоэлектронные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Предмет исследования. Модели и алгоритмы подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Цель работы. Сокращение сроков проектирования оптических элементов оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, основанных на новых принципах электронно-оптического кодирования, обеспечивающих сочетание высокой скорости преобразования, помехозащищенности, хорошей разрешающей способности и гальванической развязки входов, выходов устройства.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

- Провести анализ различных систем САПР для возможности проектирования оптоэлектронных преобразователей;

- Разработать математические модели (ММ) расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП на основании новых принципов работы этих устройств;

- На базе полученных математических моделей разработать алгоритмы работы подсистемы проектирования, обеспечивающие геометрический синтез оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;

- На основе проведенных исследований разработать подсистему проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП, провести ее апробацию и интегрировать в существующие САПР;

- Разработать методику проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Методы исследования основываются на методах формализации, моделирования, сравнения, теории алгоритмов, теории САПР, теории света, теории ЦОС, теории оптических приборов.

Научная новизна:

- Предложены новые принципы работы оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

- Разработаны математические модели расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП;

- На основе математических моделей разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;

- Разработана подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Практическая значимость:

- Разработана подсистема автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных АЦП и ЦАП, позволяющая сократить время проектирования конструкции (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611701 от 31.01.2013);

- Разработан принцип оптоэлекгронного цифро-аналогового преобразования (патент РФ на изобретение № 2459352: МПК Н 03М 1/66; заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23);

- Разработан принцип оптоэлектронного аналого-цифрового преобразования (патент РФ на изобретение № 2477564: МПКН ОЗМ 1/36; заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых; заявл. 04.10.2011; опубл. 10.03.2013; Бюл. № 7.).

Внедрение и практическое исполыование результатов работы.

Разработанная подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП, алгоритмы и ММ использованы в НИР по теме «Разработка прикладного программного обеспечения для конструирования светодиодных подложек, производимых по технологии «АЬОХ» с учетом тепловых процессов», выполненная в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы» по ГК от 13.10.2011 № 07.514.11.4061. Внедрены в проектно-конструкторскую деятельность ЗАО «НПО «Измерительные системы» в г. Коврове и в исследовательскую деятельность физического экспериментального полигона ФГБОУ ВПО Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.

Апробаиия работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на технических советах научно-технического центра ООО «РУСАЛОКС», на семинарах кафедры «Основы нанотехнологий и теоретическая физика», «Физика и прикладная математика», «Вычислительная техника» Владимирского государственного университета, докладывались на международных научно-технических конференциях: «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», «Теория и практика актуальных исследований», «Перспективы развития информационных технологий», «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований», «Актуальные вопросы современной науки».

Основные положения и результаты. выносимые на защиту:

1. Новые принципы электронно-оптического кодирования ЦАП и АЦП;

2. Математические модели расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП;

3. Алгоритмы, применяемые для автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;

4. Подсистема автоматизированного проектирования оптических

элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе: 1 раздел в монографии и 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций; получены 2 патента РФ на изобретения, зарегистрирована одна программа для ЭВМ, зарегистрирован 1 отчет по НИР, выполненной при участии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключениями, а также списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации - 144 страницы, в том числе 95 страниц основного текста, 12 страниц списка литературы (120 наименований), 37 страниц - приложения. Диссертация содержит 30 рисунков и 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, приведены краткие аннотации глав диссертации.

В первой главе проведен анализ ЦАП и АЦП и систем их автоматизированного проектирования. Показано, что самые быстродействующие преобразователи относятся к параллельному типу, у которых есть проблемы с обеспечением многоразрядных устройств. Новые принципы функционирования ЦАП и АЦП на основе оптического преобразования сигнала позволяют решить эту задачу.

Анализ современных средств САПР и их возможностей для проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП показал, что в настоящее время нет среды, в которой можно было бы реализовать полный маршрут проектирования оптоэлектронных преобразователей, основанных на новых принципах кодирования. Создание такой системы позволило бы сократить трудоемкость и себестоимость проектирования, затраты на изготовление, моделирование и испытание, повысить качество и технико-экономический уровень результатов проектирования.

Для сокращения сроков разработки САПР ОЭЦАП и ОЭАЦП и повышения ее универсальности предполагается разделить систему проектирования оптоэлектронных преобразователей на две подсистемы. Первая, требующая разработки, выполняет проектирование оптических элементов конструкции. Вторая выполняет схемотехническое, топологическое проектирование и подготовку производства, реализуется средствами существующих САПР, такими как Synop-sys, Cadenee Design Systems, Mentor Graphics.

Разработка обслуживающей подсистемы предполагается на языке программирования С++. Во-первых, используя среды быстрой разработки - таких, как Embarcadero RAD Studio, Visual Studio, можно достаточно легко реализовать самый сложный интерфейс пользователя, работу с базами данных и графическое отображение результатов работы подсистемы. Во-вторых, использование языка С++ делает разработку гибкой, а разработанную подсистему кроссплатформен-ной. Для разработки подсистемы математического моделирования выбран язык MatLab. Эта подсистема используется в виде скомпилированной библиотеки С++, что позволяет упростить процесс разработки и увеличить быстродействие работы подсистемы вычисления.

Техническим объектом разрабатываемой подсистемы будут ОЭЦАП и ОЭАЦП. В основу их конструкции заложены новые принципы работы, поэтому не существует полных ММ, описывающих преобразование, следовательно, необходимо разработать ММ, позволяющие рассчитать геометрическое расположение оптических элементов конструкции при заданных условиях преобразования.

Во второй главе проведена разработка математического обеспечения подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП. Основная задача проектирования оптических элементов состоит в определении их взаимного расположения. Предложенная математическая модель позволяет рассчитать расстояния между оптическими элементами /; 2..„, где п -

количество разрядов ЦАП в зависимости от выбранного максимального выходного напряжения ивьа, разрядности цифро-аналогового преобразователя, характеристик приемника и источника излучения.

В простейшем случае физическая модель представляется схемой, показанной на рисунке 1. Здесь источник и приемник излучения представляются точечными объектами, то есть расстояние между ними должно быть в 10 раз больше их размера, светодиод и фотодиод находятся в одной плоскости параллельной

2 - фотодиод, 3 - зеркало, 4 - проекция фотодиода, 5 - телесный угол

Фотодиод работает в фотодиодном режиме, при котором уменьшается емкость фотодиода, тем самым увеличивается быстродействие работы, а также квантовая эффективность, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость фототока от мощности излучения.

Для компенсации темнового тока фотодиода подается ток смещения через

резистор, сопротивление которого вычисляется следующим образом:

р _ и™т

К ~ ! Бя\' (1)

где а - постоянная, слабо зависящая от температуры и определяемая типом проводника, Ед - ширина запрещенной зоны, £/пит - напряжение питания схемы компенсации.

Если необходим выход по напряжению в преобразователе, то используется операционный усилитель (ОУ), включенный по схеме преобразователя ток -напряжение. Выходное напряжение идеального усилителя будет определяться следующим образом:

ип = /Р • Я1, (2)

где ип - аналоговое напряжение на выходе ЦАП, соответствующее разряду п, Ш - нагрузочное сопротивление, определяющее усиление ОУ, 1р - фототек фотодиода на выходе преобразователя.

При полихроматическом излучении, падающем на фотодиод, фототек определяется следующим образом:

/р = /А2фРе(Я)-5(Я,0)-йА, (3)

где 5д(Л, 0) - зависимость чувствительности фотодиода от угла падения 0 и длины волны А излучения; ФРе(А) - спектральное распределение светового потока, падающего на фотодиод. Эмпирические зависимости 5"д(А) и 8(0) обычно представлены в документации на фотопринимающий диод.

Поток, падающий на фотодиод, может быть определен из уравнения освещенности:

ф Ре = Ее -А, (4)

где Ее - освещенность, А - площадь фотодиода.

Зависимость интенсивности излучения и энергетической освещенности можно найти из следующего выражения, справедливого для точечных объектов излучения:

Ее=±-совв, (5)

где Ее - энергетическая освещенность, 1е - интенсивность излучения, г -расстояние до источника излучения.

Интенсивность излучения может быть найдена из формулы, определяющей поток излучения светодиода:

/ =

е 27Г(1-со5(<р/2))' ^

где <р - плоский угол свечения светодиода (двойной угол половинной яркости); Фе - зависимость светового потока светодиода от длины волны А, угла свечения в и прямого тока 1Р, проходящего через светодиод. Эмпирические зависимости Фе(А) и Фе(0) обычно представлены в документации на светодиод.

Интенсивность света, отраженного от поверхности, зависит от угла падения 0, длины волны падающего света X и свойств вещества. Если поверхность отражения идеальная, то угол отражения равен углу падения. Модель такого отражения будет определяться выражением Буи-Туонга Фонга:

1тп = и • ^(0, А) • С05П£Г, (7)

где 1т - интенсивность излучения, отраженного от поверхности; I, - интенсивность падающего излучения, 1л>(0, X) - кривая отражения, представляющая отношение зеркально отраженного к падающему излучению, как функцию угла падения в и длины волны А, а - угол между наблюдаемым и отраженным лучом, п -степень, аппроксимирующая пространственное распределение зеркально отраженного света.

Весовое значение напряжения для каждого разряда вычисляется:

(8)

где п - разряд ЦАП (п=1 в данном случае старший разряд).

Выходное напряжение ивых рассчитывается по формуле 9 с учетом формул

2-7:

Увых = 3(0 ■ /Д2 Фе (а,агсьд (¿)./р)-* (<ггЛд (¿).а) ■ 5 (а, а гад (¿)) АХ, (9) где д(1) = а ~ Расстояние междУ Фотодиодом (свето-

диодом) и зеркальной поверхностью; X, - минимальная длина волны излучения оптической системы ОЭЦАП; Х2 - максимальная длина волны излучения оптической системы ОЭЦАП; I - расстояние между светодиодом и фотодиодом.

Задача математического моделирования оптических элементов ОЭАЦП состоит в расчете расстояний где I = 2", где п- количество разрядов АЦП в зависимости от выбранного максимального входного напряжения и^, разрядности аналого-цифрового преобразователя, характеристик фотоприемника и источника излучения.

В простейшем случае математическая модель представляется аналогично,

так же как и для оптоэлектронного ЦАП (рисунок 1).

Для преобразования напряжения на входе АЦП в ток, проходящий через светодиод, в простейшем случае применяется схема источника тока, управляемого напряжением. Выходной ток идеального ОУ будет определяться следующим образом:

где ¡ры _ прямой ток светодиода, соответствующий выходному десятичному цифровому значению М, п - разрядность АЦП, Я] - сопротивление обратной связи.

В отличие от ЦАП, фототек на всех фотодиодах должен быть одинаковым и задан таким образом, чтобы на выходе фотосенсора устанавливалась логическая единица при фототоке > 1Р.

В выражении 9, вместо 1Р, подставляем 10 и, исключая выражения 2, 8, получаем общую формулу нахождения 1Р:

А1

где/(и - ^^.ттщ^ф-сЩ)) •

В третьей главе разработаны алгоритмы синтеза оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП и методика построения подсистемы их автоматизированного проектирования.

Техническим объектом для разрабатываемой системы автоматизированного проектирования являются ОЭЦАП и ОЭАЦП. В основу их конструкции положены новые принципы работы, представленные на рисунках 2, 3.

Работа ОЭЦАП (рисунок 2) осуществляется следующим образом. На вход блока формирователя тока 1 поступают двоичные цифровые коды в параллельном виде. Этот блок служит для уменьшения времени нарастания и спада оптического сигнала светодиодоз. С выхода формирователя тока сигналы поступают на модуль светодиодов 2,, 22, ..., 2ц, где N - разрядность ЦАП.

В нулевом состоянии все светодиоды отключены, фототок фотоприемника 4 равен нулю. С подачей кода на модуль светодиодов они испускают излучение. Часть этого излучения от светодиодов, отражаясь от зеркальной поверхности 3, попадает на фотоприемник 4.

При увеличении расстояния I световой поток, отразившись от зеркала, будет пропорционально смещаться относительно фотодиода. Таким образом, за счет изменения расстояния I между светодиодами и фотоприемником 4 создается вес, пропорциональный цифровому двоичному разряду.

светодиоды; 3 - зеркало; 4 - фотоприемник; 5 - усилитель сигнала; б - телесный угол излучения светодиода; 7 - отраженные световые лучи, падающие на фотоприемник

Работа ОЭАЦП, представленная на рисунке 3, осуществляется следующим образом. В нулевом состоянии светодиод отключен, все светочувствительные сенсоры фотопринимающей матрицы 5 находятся в нулевом состоянии. На выходе приоритетного шифратора 6 - нулевое состояние.

С изменением значения на входе АЦП светодиод испускает излучение, которое, отражаясь от зеркала 4, фокусируется на фотопринимающей матрице 5 и засвечивает часть сенсоров. На выходе сенсоров устанавливается единичное состояние. На вход приоритетного шифратора 6 будет поступать десятичный код, который преобразуется в выходной двоичный сигнал.

Вх и Вх / Вых 1 2 3 4 N

диод; 3 - телесный угол излучения светодиода; 4 - зеркало; 5 - фотопринимающая матрица; 6 - приоритетный шифратор

и

Фотопринимающая матрица 5 состоит из матрицы светочувствительных сенсоров в количестве 2м, располагающихся по радиусу светового пятна, сформированного отражением излучения светодиода 2 от зеркала 4 и транзисторов в количестве 2х.

Проектирование ОЭЦАП и ОЭАЦП осуществляется по методике, представленной на рисунке 4. Штриховой линией выделены блоки, действия которых выполняются в разрабатываемой подсистеме проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП. _

Выбор технологии производства. Разработка или выбор библиотек элементов технологического базиса.

Разработка библиотек в подс^теме проектирования оптических элементов, содержащих оптические, электрические и геометрические параметры фотодиодов и светодиодов.

Ввод исходных данных синтезируемого преобразователя и ограничений оптимизации.

Работа подсистемы математического моделирования оптических элементов ОЭАЦП и ОЭЦАП.

Вывод отчета работы подсистемы в формате PDF, XLS. Формирование файла для передачи в САПР в векторном формате, содержащего геометрическое расположение оптических элементов.

Разработка принципиальной схемы преобразователя, содержащей блоки электрических элементов. Програм но-аппаратное проектирование.

Проверка програмно-аппаратного проектирования. Оценка статических и динамических характеристик преобразователя.

Планирование, размещение и трассировка оптических и электрических элементов оптоэлектронного преобразователя.

Проверка трассировки на соответствие правилам проектирования. Экстракция паразитных параметров. Оценка возможных искажений сигнала.

Генерация выходных файлов для производства. Формирование конструкторской и технологической документации.

Рисунок 4 - Методика проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП Структура разрабатываемой подсистемы представлена на рисунке 5. Для удобства работы с подсистемой разработан модуль графического интерфейса пользователя в среде Embarcadero RAD Studio. Для ускорения процесса повторного проектирования в структуре имеется модуль работы с базами данных (БД) компонентов в формате Microsoft Access. В БД содержится оптические, электрические и геометрические параметры источников и приемников излучения.

Для увеличения быстродействия вычисления модуль расчета разделен на два независимых блока, выбор которого осуществляет пользователь. Этот модуль написан на языке С++. Кроме математических библиотек, к нему подключается скомпилированная статическая библиотека MATLAB с разработанными расчетными формулами. Такое решение ускоряет процесс разработки подсистемы и уменьшает время проектирования, за счет оптимизированных алгоритмов векторного и матричного вычисления.

Для совместимости разрабатываемой подсистемы с другими САПР используется модуль генерации данных, основанный на библиотеках CAD Import VCL, позволяющий формировать файлы векторного или растрового форматов

Рисунок 5 - Структура подсистемы автоматизированного проектирования оптических

элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП .

На рисунке 6 показана упрощенная блок-схема алгоритма подсистемы проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП. На первоначальном этапе осуществляется чтение данных из библиотек оптических элементов, которые были созданы ранее. Выбирается тип преобразователя, а также задаются параметры преобразования и ограничения проектирования. На следующем шаге проверяется возможность существования проектируемого преобразователя в заданных габаритных размерах.

Проектирование оптических элементов ОЭЦАП отличается от ОЭАЦП главным образом тем, что в первом случае приходится выполнять п итераций для нахождения расстояний между оптическими элементами, а во втором - 2"-1 итераций. Так как в полученной модели используются экспериментальные табличные зависимости, то нахождение расстояний в явном виде не представляется возможным, поэтому решается задача структурной одномерной оптимизации методом «золотого сечения» (блок 9,10). Такое решение имеет высокую эффективность при заранее неизвестном количестве вычислений функции.

На рисунке 7 показана блок-схема алгоритма геометрического синтеза оптических элементов ОЭЦАП. Блок-схема содержит две подпрограммы: вычисления напряжения (рисунок 8) и генерации файла для передачи в другие САПР.

элементов ОЭАЦП ОЭЦАП

Вначале осуществляется чтение исходных данных и проверка возможности существования проектируемого преобразователя (блоки 1-7, 10). Затем решается задача оптимизации методом «золотого сечения» (блоки 11-21) для нахождения расстояний между оптическими элементами. Кроме решения этой задачи, в блок-схеме алгоритма предусмотрены блоки 22-30, учитывающие геометрические размеры источников и приемников излучения для их пространственного расположения.

В блоке 35 формируется файл отчета (лог-файл), в котором представлена вся информация по текущему расчету подсистемы, необходимая при анализе разработчику для улучшения характеристик проектирования и решения различного рода конфликтных ситуаций.

m

О a

о g

я S

É

a,

2 §

ce S

a о ч to

га о X >. и S

a.

Алгоритм подпрограммы расчета напряжения представлен на рисунке 8. Данный алгоритм реализован на языке Май-аЬ, скомпилирован как статическая библиотека С++ и используется в блок-схеме алгоритма геометрического синтеза оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП в блоках 8, 16.

В блоке 1 передаются входные данные для вызова подпрограммы. В блоке 4 осуществляется выбор одного из методов приближенного вычисления (поли-миальная аппроксимация, интерполяция линейная, ступенчатая, кубическая, сплайнами, Эрмита), которые реализованы в стандартных библиотеках языка Май-лЬ (блоки 5-10). Далее происходит сборка строки функции для ее интегрирования (блоки 12-18), которое выполняется в блоке 19 командой яиагё. Выходными данными вычисления алгоритма будет напряжение на выходе ЦАП.

Рисунок 8 - Блок-схема алгоритма подпрограммы расчета напряжения

В четвертой главе исследуется подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП и результаты ее апробации.

Результатом проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП является конструкция оптоэлектронного преобразователя, упрощенный вид которой представлен на рисунке 9. Она может быть выполнена в виде интегральной, гибридной, или смешанной микросхемы.

а) б)

Рисунок 9 - Упрощенный вид конструкции оптоэлектронного преобразователя: а) поперечный разрез; б) вид сверху; 1- прозрачный слой; 2 - отражающий слой;

3 - блок оптических элементов; 4 - блоки электрических компонентов;

5 - контактные площадки; 6 - оптические элементы

На основе разработанных в третьей главе алгоритмов создана подсистема автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП. Расчеты выполняются с использованием скомпилированной библиотеки MatLab, которая подгружается в подсистему, разработанную в среде Embarcadero RAD

Studio на языке С++.

Для проверки адекватности ММ, используемых в разработанной подсистеме, был собран исследовательский стенд, с которого снимались экспериментальные данные. Анализ полученных результатов показал, что разработанные ММ расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП адекватны с доверительной вероятностью 95%, а результаты опытов воспроизводимы. Адекватность оценивалась по критерию Фишера, воспроизводимость - по критерию Кохрена.

Для физического моделирования работы ОЭЦАП был создан восьмиразрядный макет ЦАП на дискретных элементах. Проведенный анализ его работы показал, что разработанные новые принципы оптоэлектронного кодирования достоверны, погрешность преобразования во многом зависит от точности установки оптических элементов, а быстродействие ограничивается в основном скоростью работы оптических элементов. В настоящее время быстродействие свето-транзисторов превышает 7 ГГц, a pin фотодиодов - 75 ГГц.

Для оценки быстродействия работы подсистемы проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП производилось сравнение скорости машинного времени выполнения алгоритма расчета напряжения (рисунок 8) со скоростью выполнения этого же алгоритма в среде MathCad. Скорость выполнения алго-

ритма в обеих системах сопоставима. Но задача геометрического синтеза оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП является итерационной, что показано в третьей главе, и при проектировании устройств этот алгоритм выполняется от десятков до сотен раз в зависимости от заданных условий, что существенно увеличивает время проектирования с использование среды MathCad.

В приложениях приводится текст модулей подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП, пример физического моделирования ОЭЦАП, документы интеллектуальной собственности и акты внедрения и использования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы различные системы САПР для возможности проектирования оптоэлектронных преобразователей.

2. Разработаны новые принципы электронно-оптического кодирования ОЭЦАП и ОЭАЦП, обеспечивающие сочетание высокой скорости преобразования, помехозащищенности, хорошей разрешающей способности и гальванической развязки входов, выходов устройства.

3. Разработаны математические модели ОЭЦАП и ОЭАЦП, на основании новых принципов работы этих устройств, позволяющие рассчитать расстояния между оптическими элементами конструкции в зависимости от заданных параметров преобразования.

4. На основе полученных математических моделей синтезированы алгоритмы работы подсистемы проектирования, решающие задачу геометрического синтеза оптических элементов конструкции ОЭАЦП и ОЭАЦП.

5. На основе проведенных исследований разработана подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП на языке С++ в среде Embarcadero RAD Studio ХЕ2, включающая статическую библиотеку расчета напряжений, написанную на высокоуровневом интерпретируемом языке программирования MatLab.

6. Разработана общая методика проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП, включающая интеграцию программ проектирования топологии микросхем, таких как Synopsys, Cadenee Design Systems, Mentor Graphics и разработанной подсистемы проектирования оптических элементов.

7. Для проверки работы подсистемы проектирования оптических элементов и разработанных новых принципов электронно-оптического кодирования было проведено физическое моделирование восьмиразрядного ОЭЦАП на основе макета, выполненного на дискретных элементах. Исследование характеристик макета ОЭЦАП показало, что разработанная подсистема проектирования с высокой степенью достоверности позволяет определять расстояния между оптическими элементами, а быстродействие работы оптоэлектронного преобразователя будет ограничиваться в основном частотой работы оптических элементов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Золотое, А.Н. Моделирование высокоскоростных оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей / А.Н. Золотое, М.В Руфицкий // Интеграл. - М.: - 2012. - №5. - С. 10-12. (Соискатель - 80%).

2. Золотов, А.Н. Принцип построения быстродействующих оптоэлектронных цифро-аналоговых преобразователей / А.Н. Золотов, М.В Руфицкий // Известия института инженерной физики. - М.: - 2013. - №2. - С. 45-48. (Соискатель - 80%).

Публикации в других изданиях:

3. Золотов, А.Н. Быстродействующие оптоэлектронные аналого-цифровые преобразователи / А.Н. Золотов, М.В. Руфицкий // Тезисы докладов X Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'2012. - Суздаль, 2012. - С. 216-219. (Соискатель - 80%).

4. Золотов, А.Н. Моделирование быстродействующих оптоэлектронных цифро-аналоговых преобразователей / А.Н. Золотов // Тезисы докладов III заочной Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований». - Краснодар, 2013. - С. 251-254.

5. Золотов, А.Н. Быстродействующие оптоэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи / А.Н. Золотов // Тезисы докладов XI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий (ПТ-11)». - Новосибирск, 2013. -С. 83-87.

6. Золотов, А.Н. Разработка системы проектирования высокоскоростных оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей / А.Н. Золотов, М.В. Руфицкий // Тезисы докладов V Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной науки». - Санкт-Петербург, 2013. - С. 13-16. (Соискатель - 80%).

7. Золотов, А.Н. Проектирование быстродействующих оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей / А.Н. Золотов, // Тезисы докладов III Международной научно-практической конференции «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований» (TO-3). - Новосибирск, 2013. - С. 138-142.

8. Грунская, Л.В. Мониторинг электрического и геомагнитного полей пограничного слоя атмосферы / Л.В. Грунская, В.А. Ефимов, В.Н. Морозов, Д.В. Рубай, А.Н. Золотов, A.A. Закиров — Germany : LAP Lambert Academic Publishing, 2013. — 196 е., (Соискатель - 10%).

Патенты и свидетельства РФ:

9. Цифро-аналоговый преобразователь : пат. на изобретение № 2459352 Рос. Федерация : МПК Н 03М 1/66 / Золотов А.Н., Руфицкий М.В. ; заявитель и патентообладатель - Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г.

Столетовых. - № 2011124564/08 ; заявл. 16.06.2011 ; опубл. 20.08.2012, Бюл.

№23.-8с. (Соискатель-50%) плтпклл

10 Аналого-цифровой преобразователь : пат. на изобретение № 2477554 Рос. Федерация : МПК Н 03М 1/36 / Золотов А.Н., Руфицкий М.В. ; заявитель и патентообладатель - Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых. - № 2011140359/08 ; заявл. 04.10.2011 ; опубл. 10.03.2013, Бюл.

№ 7. - 6с. (Соискатель - 50%)

11. Программа расчета конструктивных характеристик оптических элементов оптоэлектронных АЦП и ЦАП : зарегистрированная программа для ЭВМ № 2013611701 от 31.01.2013; правообладатель: Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых, авторы: Золотов А.Н., Руфицкий М.В.; заявл. 01.06.2010. (Соискатель - 70%)

Подписано в печать 16.04.13. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 110 экз. Заказ Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

ЗОЛОТОВ АРТЕМ НИКОЛАЕВИЧ

ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(ВлГУ)

04201360696

На правах рукописи

(промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор М.В. Руфицкий

Владимир 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................6

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СИНТЕЗА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.........11

1.1 Анализ принципов построения и перспективы развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................11

1.1.1 Особенности построения и перспективы развития цифро-аналоговых преобразователей............................................................................11

1.1.2 Особенности построения и перспективы развития аналого-цифровых преобразователей..............................................................................17

1.2 Анализ систем автоматизированного проектирования цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................23

1.2.1 САПР для проектирования аналого-цифровых устройств....................23

1.2.2 САПР для проектирования оптических устройств.................................31

1.2.3 САПР для проектирования оптоэлектронных устройств......................34

1.3 Постановка задач диссертационной работы...................................................37

1.4 Выводы по первой главе...................................................................................39

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.................................................40

2.1 Базовые принципы математического моделирования оптических элементов оптоэлектронного цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования........................................................................................................40

2.2 Разработка математических моделей расчета расстояний между оптическими элементами конструкции цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователя...................................................................................43

2.2.1 Синтез математической модели оптоэлектронного цифро-аналогового преобразователя.............................................................................44

2.2.2 Синтез математической модели оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователя...............................................................................51

2.3 Ограничения при использовании модели.......................................................54

2.4 Выводы по второй главе...................................................................................55

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ СИНТЕЗА ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.................................................................................................56

3.1 Разработка структуры подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................56

3.2 Разработка алгоритмов подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................59

3.2.1 Разработка алгоритмов автоматизированного проектирования оптоэлектронных цифро-аналоговых преобразователей....................................61

3.2.2 Разработка алгоритмов автоматизированного проектирования

I

оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей....................................70

3.3 Методика автоматизированного проектирования оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...............................75

3.4 Выводы по третьей главе..................................................................................79

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ АПРОБАЦИИ.............................................................................80

4.1 Методика экспериментальных исследований характеристик программных средств проектирования оптических элементов оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.....................................................................................................80

4.2 Проверка адекватности математических моделей расчета расстояний между оптическими элементами конструкции оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................83

4.3 Системные требования разработанной подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.....................................................................................................85

4.4 Результаты апробации подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей...........................................86

4.5 Выводы по четвертой главе..............................................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................93

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................96

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Исходный код подпрограммы расчета напряжения оптоэлектронных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.. 108

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Пример проектирования оптических элементов оптоэлектронного цифро-аналогового преобразователя......................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Схема макета оптоэлектронного цифро-аналогового преобразователя.........................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Исходный код программы «ЬРТ-БАС» для наладки и тестирования макета оптоэлектронного цифро-аналогового преобразователя.. 117

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Исходный код программы подсистемы проектирования оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.. 125

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Документы интеллектуальной собственности......................140

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акты внедрения диссертационной работы..........................143

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время устройства с цифровой обработкой сигнала (ЦОС) стали неотъемлемой частью повседневной жизни. ЦОС применяется в самых разнообразных системах - от мобильных телефонов, компьютерных модемов, телевизоров, МРЗ- и DVD-плееров до систем голосового трафика по IP-сетям, медицинской аппаратуры, навигаторов автомобилей и т. д. Быстрое развитие вычислительной техники и элементной базы ведет к увеличению скорости, объема передачи данных и расширению области применения систем с ЦОС.

Одними из основных элементов в системах ЦОС являются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), так как во многом от них зависит скорость и точность работы системы. Большинство выпускаемых серийно АЦП и ЦАП имеется ряд недостатков, накладывающих ограничения на создание высокоскоростных многоразрядных систем. Одним из основных недостатков является уменьшение разрядности системы при необходимости повышения скорости преобразования. Вариантом решения задачи может явиться переход от электронных устройств к оптоэлектронным преобразователям, где аналого-цифровое преобразование будет выполняться в оптическом виде.

К первому оптоэлектронному ЦАП можно отнести патент Пола М. Рейни «факсимильная телеграфная система» на основе пятиразрядного импульсно-кодового модулятора (ИКМ). Данная работа опубликована в 1921 году в Western Electric. Дальнейшее развитие АЦП и ЦАП было направлено на разработку электронных преобразователей. Исследованием и проектированием таких АЦП и ЦАП занимаются ведущие фирмы-разработчики микроэлектроники: Texas Instruments, Linear Technology, Maxim, Analog Device, Burr-Braun и другие.

В Российской Федерации также проводятся исследования в области оптоэлектронным цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ОЭЦАП и ОЭАЦП); этими вопросами занимались Б.И. Волков; М.Я. Яковлев,

В.Н. Цуканов, Кулиш O.A., Векшин М.М. и другие. Основы автоматизации проектирования подобных систем изложены в работах: В.Н. Ильина, Г.Г. Козенова, И.П. Норенкова, М.Н. Ушкара, В.А. Сорокопуда, В.Н. Талицкого и других.

При проектировании оптоэлектронных преобразователей необходимо учитывать большое число параметров, зависящих от области использования ОЭЦАП и ОЭАЦП. Разработка программных средств автоматизации проектирования позволит расширить сферы применения оптоэлектронных преобразователей, сократить трудоемкость, сроки, себестоимость, а также повысить качество и технико-экономический уровень разработки. Особенно большие сложности возникают при автоматизации проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Объект исследования. Оптоэлектронные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Предмет исследования. Модели и алгоритмы подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Цель работы. Сокращение сроков проектирования оптических элементов оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, основанных на новых принципах электронно-оптического кодирования, обеспечивающих сочетание высокой скорости преобразования, помехозащищенности, хорошей разрешающей способности и гальванической развязки входов, выходов устройства.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ различных систем САПР для возможности проектирования оптоэлектронных преобразователей;

2. Разработать математические модели (ММ) расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП, на основании новых принципов работы этих устройств;

3. На базе полученных математических моделей разработать алгоритмы работы подсистемы проектирования, обеспечивающие геометрический синтез оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;

4. На основе проведенных исследований разработать подсистему проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП, провести ее апробацию и интегрировать в существующие САПР;

5. Разработать методику проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Предложены новые принципы работы оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

2. Разработаны математические модели расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП;

3. На основе математических моделей разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;

4. Разработана подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП.

Практическая ценность работы:

1. Разработана подсистема автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных АЦП и ЦАП, позволяющая сократить время проектирования конструкции (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013 611701 от 31.01.2013);

2. Разработан принцип оптоэлектронного цифро-аналогового преобразования (патент РФ на изобретение №2459352: МПК Н ОЗМ 1/66; заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.08.2012; Бюл. № 23);

3. Разработан принцип оптоэлектронного аналого-цифрового преобразования (патент РФ на изобретение № 2477564: МПК Н ОЗМ 1/36;

заявитель и патентообладатель Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г. Столетовых; заявл. 04.10.2011; опубл. 10.03.2013; Бюл. № 7.).

Реализация н внедрение результатов. Разработанная подсистема проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП, алгоритмы и ММ использованы в НИР по теме «Разработка прикладного программного обеспечения для конструирования светодиодных подложек, производимых по технологии «АЬОХ» с учетом тепловых процессов», выполненная в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы» по ГК от 13.10.2011 № 07.514.11.4061. Внедрены в проектно-конструкторскую деятельность ЗАО «НПО «Измерительные системы» в г. Коврове и в исследовательскую деятельность физического экспериментального полигона ФГБОУ ВПО Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на технических советах научно-технического центра ООО «РУСАЛОКС», на семинарах кафедры «Основы нанотехнологий и теоретическая физика», «Физика и прикладная математика», «Вычислительная техника» Владимирского государственного университета, докладывались на международных научно-технических конференциях: «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», «Теория и практика актуальных исследований», «Перспективы развития информационных технологий», «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований», «Актуальные вопросы современной науки».

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе: 1 раздел в монографии и 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций; получены 2 патента РФ на изобретения, зарегистрирована одна программа для ЭВМ, зарегистрирован 1 отчет по НИР, выполненной при участии автора.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации -144 страницы, в том числе 95 страниц основного текста, 12 страниц списка литературы (120 наименований), 37 страниц - приложения. Диссертация содержит 30 рисунков и 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные направления исследований, приведены краткие аннотации глав диссертации.

В первой главе проводится анализ существующих типов АЦП и ЦАП и САПР для возможности проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП. На основании проведенного анализа определяется перечень задач, подлежащих исследованию и разработке.

Во второй главе представлены математические модели расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП и ограничения при их использовании.

В третьей главе представлены алгоритмы геометрического синтеза оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП и методики автоматизированного проектирования ОЭЦАП и ОЭАЦП.

В четвертой главе проводится апробация разрабатываемых моделей, алгоритмов и подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП. Проводится оценка быстродействие работы подсистемы проектирования.

В приложении приведены дополнительные материалы по теме диссертационной работы.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СИНТЕЗА ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Техническим объектом для разрабатываемой подсистемы автоматизированного проектирования оптических элементов являются ОЭЦАП и ОЭАЦП. В основе их работы лежат новые принципы оптоэлектронного кодирования [2]. В данной главе проводится анализ существующих конструкций АЦП и ЦАП. Рассматриваются методы и средства автоматизированного проектирования, которые могли бы быть применены для САПР разработки ОЭЦАП и ОЭАЦП. На основании проведенного анализа определяется цель и основные задачи, подлежащие разработке в диссертационной работе.

1.1 Анализ принципов построения и перспективы развития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей

1.1.1 Особенности построения и перспективы развития цифро-аналоговых преобразователей

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog converter, DAC) - устройство для преобразования цифрового кода, определенное в виде двоичного числа (или многоразрядного двоично-десятичного числа), в напряжение или ток, пропорционального значению цифрового сигнала на входе

[3].

ЦАП имеет большое число применений, кроме прямого назначения преобразовывать цифровой код в аналоговый сигнал, применяется во многих схемах обработки сигнала. Например, служит для сдвига диапазона отрицательных чисел в сторону положительных, так же с помощью ЦАП возможно перемножать или делить аналоговые сигналы. Выход сигнала с такого

преобразователя будет пропорционален произведению двоичного числа и опорного напряжения. Другим применением являются схемы интеграторов и аттенюаторов, где необходимо цифровое управление уровнем сигнала. С помощью ЦАП можно построить систему прямого цифрового синтеза сигнала произвольной формы, например, для воспроизведения звука из цифрового ф�