автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Структурно-алгоритмические методы построения микромощных цифровых измерительных устройств

ЗСЕРСССЯКЖЯ НЛЯЧНО-ИССЛЕЛОВАТЕЛЬСШ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ШИЧЕСККХ ИЗМЕРЕНИЙ

г: ~ О л

На правах рукописи

УДК 63!.3.08 : 621.317.182.4

ИВАНОВ Борис Рцдольфович

СТРНКТЭРНО-йЛГОРИТНЯЧЕСКИЕ МЕТОДИ ПОСТРОЕНИЯ ШРОЩКЯХ ЦИФРОВЫХ ЙЗЯЕРИТЕЛЬЯИХ УСТРОЙСТВ

05.11.16 - информационно измерительные систеиы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учений* .¡пени доктора технических" вдлк

Иеснва -

1994

Работа выполнена в Ставропольской политехнической институте, филиал в г. Невииноиыс ::в

Инициальные оппоненты:

акар'нкк Кмдцкародной Йкадекии Информатики, доктор технических нанк. профессор Гореликов Н.й. доктор технических нацк. профессор Вобровников Л.З. доктор технических нами Чернов Е.И.

Ведущая организация - Всероссийский научио-исследовательский

институт злектроизкерйтельшгх приборов

Защита диссертации состоится^. ...0.4.1994 г. в /Уч&са& аа заседании специализированного совета Я 041.01,62 при Всероссийской науч.чо-нсследовательскок институте оптико-&шчвскйх ¿«»ырйНИЙ по адресу: 103031, йосква, ал. Ромвстйнка. 27: тел. !Ш-19-?4.

С диссертацией ноано ознакомиться в бнймюшш

о

Л1!тпрс$0|)ат разосиаи............. г.

¿чек«."* сенреир», скш^зигошшогс совет?., «••?!■ а!•;.■•■! текил'-т.х' ¡й.1 к. с к г:?;' £?.п Ш^.:; ' ' Т».-.-;;1.;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми исследований. Структурно алгоритмические метода цяцчвения метрологических характеристик средств измерений (СИ) применяют для расширения динамического и частотного диапазонов и повышения точности, быстродействия и разрешающей способности цифровых измерительных устройств (ЦИУ). Практическая реализация таких методьв связана с введением аппаратурной и энергетической избыточности, что нередко приводит к увеличения гва»ериалоемкости и энергопотрзбления СИ и. в ряде случаев, к сниненнв надеяности измерительных приборов и информационно-измери1<ш>них систем (ИИС). Вследствие этого при создании мало-габари:них ЦПУ с аетононньн питанием используют только прсстеа-вие с!руктурно-алгори»мические методы., в частности, автоматическую коррекции аддишвной составляющей погрешности, обеспечивая гребуемае технические параиетры портативных СИ за счет применения нова* электронных компонентов и специализированных микросхем. т.е.'технологическим путем.

Технологические методы совершенствования СК наиболее эффек-.лвна для цменыаения материалоемкости и повышения надежности аппаратуры. Однако их непосредственное применение для создания высокоточных микромоцных ЦИУ затрудняется рядом принципиальных ограничений. Это связано не только с экспоненциальным увеличением материальных и временных затрат при минимизации погрешности преобразования и энергопотребления разрзбативаемых микросхем,. но и с наличием технического противоречия нейду точностью, быстродействием и потребляемой мощностью ЦИУ. Уиеньыение тс;ов питания от 100 до единиц микроампер и нихе однозначно приводит к иряц'-пропорцинздьноиу снижении верхней граничной частоты, увеличение нцыовых напряжений транзистор; :шх каскадов, повыиенив температурного коэффициента напряжения (ТКИ) чниттерних переходов бэдолярных тоанзисторов и, соответственно к увеличении там-пемгцрного дрейфе напряжения смещения и значений выходного сопротивления операционная усилителей <0У) и компаратопов при одно-врстнтш уненьвении быстродействия аналоговых микросхем. Пова-ивии»' тпкторой частоты роботы ЦИУ с цеяьп снихения гл-рейностч дискретности обуславливает пропорциональнее возрастание дина-едче».*«, V г-40цн-зст?'£ яатрейявнка коыиланенторныя ИДЯ логических

элементов. В итог« потребляемая мощность портативках зарубея!ш> и отечественных цифровых мультиметров, работав®!'.;. при токах питания в единицы миллиампер, составляет десятки - сотни милли&ал при приведенной погревности преобразования от 0,05 до 0,5 X, с время непрерывной работы без сиены элементов питания с энергоемкостью от 0,5 до 1,5 йч не превышает десятков - сотен часов. Противоречивость требовании по минимизации зкергсгштребдеши и обеспечений высокой точности, быстродействия, разревавцей способности и помехоустойчивости ■ ЦПУ обуславливает необходимое^ ра-.-ьзСотки новых, материало- и энергосберегающих методов структурного построения измерительных приборов и систем, обеспечивающих, .их высокую точность и быстродействие при использоваши низкочастотных функциональных узлов с токами питания, снижении:; на 2 - 3 порядка вплоть до единиц микроампер. Для достижения высоких петрологических характеристик автономных ЛИЗ необходима разработка новых алгоритмов рабс-ц, исключавких влияние инерционности кикроноцни:; аналоговых элементов ка точность преобразования и обеспечнсаг^кх требуемое подавление помех промысленной частоты без синхронизации с периодом сетевого напряжения.

3 области лазерной энергетической фотометрии для созданы* высоконадежных : кортатизиых срздстс измерений средней коздссти непрерывного я энергии импульсного лазерно.го излучения требуетег специализированные высокочувствительные малогабаритные ЦИЭ. способные работать в течение 1 - 2 лет без смены элементов питания, Использование разработанных в диссертации методов комплексного цлучвения качественных показателей ЦПУ .позгоУлег"'на 2 -порядка уменьшить энергетическую избыточность цифзоакх СИ п>':.ч>• метров лазерного излучения. повысить надежность, и обеспечить портативность, автономность и экономичность аппаратура.

' Цело» диссертационной раСоты являете» реяение научной п( \ С-лемы - повааение точности, надежности и снижение олергопот^з-ления цифровых измерительных устройств с частотных и врвкл-г.к-лульсным преобразование* структурно-алгоритмически*:! изгода*«

К задачам, реваемаа: в диссертационной работе. огносаи-;. разработка общего' комплексного ло^хода'« яровктйрьааниа ыиг мо?шшс цифровых средств .измерений и создание на его осте иовкх методов построения высокоточной йз мер да ль к эй агшар:»'« с «»»тонамгы* питанием; сравьитвльнмй анализ алголу п-л-й е. а

э

турш/х схем аналого-цифрового преобразования по энергопотреблении и метрологическим характеристикам для обоснования перспективности использования адаптивных структур Ц'Л; разработка бинчрованну способов автоматической коррекции погрешностей, обеспечиванцих в^сокув понехоустойчигость. разревавзд» способность и точность ЦИУ при »иникаяьном энергопотреблении: разработка схемотехники и исследоьание характеристик новнх цикро-коцннх фцнкциональних «зллв Ц»У с коддляцией таков питания: разработка ион« аотсдоо расчета параметров и кетодик настоойки хикрожощш Ц'ЛУ для серийного производства аппаратрпа; исследование и аппроксимации зависимостей осниышх технических характеристик аналоговых и цифровых микросхем ог токсе и напряжения питания с целью их применений для расчета никромоэпшх функциональных уз."ив портативных ЦНЬ" и ЛЯС: оценка показателзй надежности электронных компонентов в области иикрореяима.

Основное положения, зшюсихые на закитц

1. Снижение энергетической избыточности на 2-4 порядка без уменьшения быстродействия и сохранении высокой точности Щ1У достигается использованием метода иноготактнога интегрируа-цего преобразования с переменной крутизной в сочетании с автоматической коррекцией систематических погрешностей.

2. Повниенне помехоустойчивости ЩШ с автономиям питанием в 10 - 30 раз и разрешающей способности на один - два порядка обеспечивается сочетанием предложенного метода адаптивного ннтегрирцвцего преобразования с методом ввсовзх Функций.

3. Уменьшение токов питания Функциональных узлов ЦПУ на - 3 порядка - вплоть до единиц микроампер - позволяет снизить в десятки - сотни оаз энергоемкость ЦПУ при одновременном пови-аении в 5 - 10 раз ьадеаяостл и расширении на 10 - 20°С диапазона рабочих температур за счет облегчения на 2 - 3 порядка .температура-электрических нагрузок злектроннкх компонентов.

i. Уиеньыение в 2 - 10 раз энергоемкости еисокогочиих ЩШ достигается использоиапем методов интегрирующего г.реобразоЕакия с автоматической коррекцией погрешностей в сочетании с нодуля-нией токов питания аналоговых функциональных цз;.ов по ткьннм алгоритмам в зависимости от урокия измеряемого еигнггэ.

Научная новизна исследований

!. Предложен универсальный метод снижения энергопотребления ЦИУ, основанный на изменения крутизнц аналого-цифрового преобразования. 1 процессе кодирования исследуемого сигнала,

2. Остановлена з>м>ект»г.ность кг-мбинипованного применения методов адаптивного интегрир^сго преобразования. сесових Функций и автоматический киррекции погрешностей для комплексного улучшений метрологических характеристик ЦПУ с автономным питанием при сниженном на 2 - 3 порядка энергопотреблении.

3. Размотаны новые структур« построетг и алгоритмы Функционирования микромс^ных Ц!!У интогрирувцего типа с комбинированной автоматической коррекцией сис--?матических погрешностей, обес-печиваюцие высоки» точность, разревакэди способность и помехоустойчивость преоОразоваииу при минимальных требованиях к быстродействию основных функциональных блоков ЦИУ.

4. Предлокен новый метод расчета никрилоцних интегрирующих преобразователей. основанный на взаимосвязи токов питания с динамическими характеристиками основных функциональных узлов

_ ЦИУ. Получены выражения, аплроксимирувцие зависимости пара-петров аналоговых и цифрових электроних устройств от тока или напряженна питания, определен« коэффициента пропорциональности иекду динамическими характеристиками и энергопотреблением микромоцной элементной базы.

Разработан ряд новых принципиальных схем функциональных узлов ЦИУ - источников 'порних напряжений (ИОН), преобразователей напряжения в частоту или в интервалы времени, генераторов импульсов, компараторов, измерительных усилителей, блоков гальванической развязки'и т.д., имевцкх высокие технические параметр« при токах питания, сниженных на 2 - 3 порядка вплоть до единиц микроампер. Предложенные схемные решения мог"Т быть использованы в качестве базовых г пи создании серийнопригодных кйкрохоцних ЦЙУ различного функционального назначения. -

6. Предложен уточненный метод расчета низковольтных ИОН на пря-иосмеценных змиттерных переходах биполярных транзисторов, применяемых для получения стабильного'"апряхения (1,3-1,4) В

" в расширенной диапазоне рабочих температур при токах питания не более 20 мкй. Предлоаена методика экспресс-настройки, ыик-

ромоцних ЙОИ. обчспечиваюч^я термостабильность опорного напряжения лучюе 0.001 У.'0С в условиях серийного производства.

7. Получена выражения для расчета параметров надежности элекент-ной базы кикромощных ЦПУ. Установлено, что за счет уменьшения токов питания электронных компонентов до единиц микроампер и снижения питающего напряжения (3 - 5) С обеспечивается 5 - 10-кратное улучшение надежности ЦИУ.

Практическая ценность работы

Знедрен метод комплексного улцчиения петрологических характеристик ЦИУ на основе адаптивного многотакпюго иктегрируг/дего преобразования с автоматической коррекцией погрешностей я использованием одноуровневых весовых Функций, на основе которого разработан ряд портативных, высокоточных и надезяах ЦПУ с автономным питанием различного Функционального назначения.

Создан и внедрен в серийное производство цифровой измеритель постоянного напрявеиия и тока типа Ц58009, шевций потребляемая мощность менее 1 мВт при ря-р,. ,,звцей способности 1 мкВ по напря-кенив и 10 нн по току и основной погреиности 0,05 '/..

Создан и внедрен,в серийное производство цифровой специализированный прибор типа ЦР6С02 класса точности 0.1 для сродства измерений средней ноцности и энергии лазерного излучения ИНО-5. За счзт применения комбинированной коррекции-аддитивной погрев-ности з сочетаний с методом зесоввх Функций обеспечено подавление помех проиивяенной частота бол^е 80 дБ при разрезавшей с.;э-собностк по напряженка 0,5 икВ и потребляемой «седости 1,5 и5т.

Создай и внедрен в серийное призводство цифровой специализированный прибор типа ЦР6803 класса точности 0,05 для средства измерений средней моциости лазерного излучения типа ЩШ~4. йод: -Фицироваинай вариант прибора ЦР6С03 используется в средстве измерений интенсивности теплозого облучения типа ИКО-5. К отличительным особенностям ЦР0803 относятся высокая помехоустойчивость, расаиренный от 1 ккБ до напряжения питания 5 В диапазон входного сигнала и малый - менее 1 »А - входной тг,к. что позволило вклв-чить на входе прибора высокооиный первичный измерительный преоб-разо! 1твль с выходная сопротивление* до 1,5 Й0м и обеспечить высокую точность измерения при амплитуде сетевой помехи, не превы-'

плицей напряжения питания. Кроме того, ЦР6803 имеет иирокие функциональные возможности: реализует калибровку тепловых первичных измерительных преобразователей электрическим сигналом стабильной мощности, обеспечивает автоматическое переключение диапазонов измерения, автоматизированную установку нуля и вывод информации на тернопечатэюцее устройство. Средняя потребляемая мощность прибора ЦРОО03 не превышает 2 кВт.

Создан и внедрен в серийно? производство цифровой измеритель мощности непрерывного лазерного излученг; типа ЦР6805 для медицинских целей. С приборе ЦР6005 примет, ы .фотодиодный измерительный преобразователь мощности лазерного излучения в электрический сигнал с авт шатической стабилизацией обратного напряиения фотодиода и иикромоцный преобразователь напряжения в частоту с коррекцией мультипликативной погрешности. Прибор характеризуется потребляемой мэцностью 2 мВт при питании от автономного источника и 200 кВт - при питании от сети 220 D. 50 Гц,

Создан .и внедрен в серийное производство цифровой измеритель влажности версои типа fiBOSQO с автоматической коррекцией аддитивной погрешности и цифровой кусочно-лииейной аппроксимацией характеристики емкостного измерительнога преобразователя.

Создана и провли государственные приемом'"* испытания портативные ЦЙВ: специализированный прибор д.О: с.-.^рсяня энергии импульсного лазерного излучения класса точности 0.1, иневзий* раз-ревавцав способность '0.1 пкВ при иотребляеноП иоцности 5 нйт; спзциализированнип прибор типа ЦРС804 класса точности 0,0'j ó ;чорееа»цей способностью 1 «>;& при потрсбляево.'; иокяоети 0.? мВт. предназначенный для работ:! с каиоиетркческшш кзнерительккм:. прсибразовбтеляии давления, мчльтиметр Ш801 класса точности 0,05 с автоматический выбором дианазоно:" измерен; .'; и выводок инфор" \ции на термопечать, обеспечивающий разреиаввдм способность i нкВ - ио напряжению, 10 нА - по току и 0,1 Он - по сопротивлению при средней потребляемой модности 1 мВт,

Проведена разработка и изготовлены единичные образцы портативных микромоцных ЦИУ и ИИС, в том числе прибора для контроля влажности немытой шерсти ПКВНИ-И с потребляемой мощное.ив 3 кВт: многоканальных термометрических комплексов типов ТйК-15, ТКК-30, TMH-C0, обеспечивающих погрешность измерения 0,1°С и вмвод информации на термопечать при времени преобразования 0.5 с по каж-

дому из 15-ти, 30-ти или СО-ти измерительных каналов.

За счет снижения на 2 - 3 порядка энергетической избыточности разработанное ЦПУ обеспечивают длительн;-ч - более 1 года -ра'оту без ^ыени элементов питания типа (1-316 с емк^стьи 0.5 Р.ч. . Приборы размещены в унифицированном пластмассовом корпусе с габаритными размерами 255 х 100 х 7Ь ни и имеют массу от 1 до 2 кг.

Рее микромощнне приборы и Я',1С имеют повышенную в 5 - 10 раз надежность: за счет сникения энергопотребления и материалоемкости средняя наработка на отказ доведена до (20 - 25) тыс. ч.

Экономический эффект от внедрения результато диссертации превниает С нлн. руб. по ценам 1990 - 1991 гг.

Результаты работы использованы в серийных изделиях: цифровом измерителе напряжения и тока типа £¡60009; рабочих СИ средней мощности л энергии лазерного излучения типоз ЙЙО-3 и Ш10-4, средстве измерений интенсивности теплового облучения типа НИ0-5.. цифровом измерителе мощности лазерного излучения типа 1]РЬ005 и цифровом измерителе относительной влажности изрети типа (125800.

Основной вклад автора в разработку избранных проблем заключается: в доказательстве использования принципа многотактного аналого-цифрового преобразования с переменной крутизной как универсального метода снижения энергопотребления ЦЯН: создании новых структур построения и алгоритмов функциони; зания микромощных ЦПУ интегрирующего типа с время-импульсным и частотным преобразованием; обосновании эффективности применения комбинированной автоматической коррекции погрешностей в сочетании с методом весовых функций для комплексного улучшения разрешавшей способности, помехоустойчивости и точности ЦИУ с автономным питанием; в выводе выракений для расчета: ыикроиощных источников опорных напряжений, токов питания основных функциональных аналоговых узлов ЦКУ в зависимости от требуемой точности и быстродействия, интенсивностей отказов элементной базы при малой электрической нагрузке и надежности микроыоцных ЦИУ, коэффициентов помехоподавлення интегрирушцих преобразователей при использовании весовой Функции единичного уровня: в разработке методик настройки мькроноцннх источников опорных напряжений и компапаторов с регулируемым токсы.питания для серийного производства; в определении коэффициентов взаимосвязи динамических параметров с потребляемой мощностью аналоговых и цифровых функ-

цкональкьх узлов НИИ при никроамп.-рних токах питания по результатам экспериментальных исследований: в разработке новых структур интегрирующих АЦП с широкими функциональными возможностями: в оптимизации алгоритиог функционирования, а такве структурных и принципиальных схем серийных приборов: $60003. HP68Q3. ЦРБ305, ЙБ0800, подготовленных к серийному производству ЦйУ типов: ЦКОЗОС ЦН6801, ЦГСС04 к изготовленных с единичных экземплярах приборов и И!!С типов: ПКВ1Ш-М. ТН:М5. ТНК-30 и Т!.!К-60.

Результаты работы докладывались на: республ. науч.-технич. семинаре "Новые электронике приборы" (Киев, 1972 .*.): республ. науч.-техн. конф, "Структурные методы повывения точности измерительных устройств и систе:." (Киев, 1372 г.)*. республ. науч.-техн. конф. "Коммутационно - модуляционные методы и системы для получения измерительной информации о технологических процессах" (Киев, 1373 г.): республ. науч.-техн. конф. "Структурные способы повышения точности, чувствительности и ■быстродействия г.зыери-тель"1!х устройств" (ймань, 1975 г. 5: Всосоез. научи.-техн. конф. "Вопросы улучшения технических параметров универсальных электроизмерительных приборов" СЕитомкр. 1979 г.): республ. науч.-техн. конф. "Вопросы теории и проектирования электронных вольтметров и средств их поверки" (Таллинн. 1985 г.): ре^чубл. изучи.-техн. конф. "Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов к систем" С2нтсмир. 1905 г.); зональном семинаре "йнтегрирунп;ие частотные время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе" (Пенза, !987 г.): республ. лауч.-техпич. конф. "Элементы и узлн современной г.риемно - усилительной аппаратуры" (Носкг.а. 1930 г.): Всесоюз. науч.-техн. семинаре "¿птико-физические методы неразруыаящего контроля и технической диагнос.пки в масино-строеь .и и приборостроении" (йосква. 1991 г.).

Основные результата работи опубликована в 65 печатных трудах. из них 1 монография. 22 авторских свидетельства на изобретения, 17 статей и 25 докладов на конференциях и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Всего в диссертации 274 листа, из них 230 листов текста. 33 листа рисунков и 5 таблиц на 4 листах, библиография 142 наименований. В.прилоаениях .приведены (акты внедрения результатов диссертации на 6 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РйБОТЫ

Во введении сформулированы цели, задачи, научная новизна исследований и основные положения, виносимие на защиту.

В первой главе приведена сравнительная оценка технических характеристик универсальных и специализированных цифровых'измерительных устройств с автономным питанием, и исследованы свойства микромощной элементной базы, в том числе аналоговых и цифровых интегральных микросхем в диапазоне токов питания от сотен до единиц - десятков микроампер.

При анализе параметров отечественных и зарубежных ыульти-метров и оценке взаимосвязи между основными метрологическими характеристиками и потребляемой мощностью ЦПУ установлено, что независимо от >ункциснального назначения приборов улучшение точности, быстродействия или разренаюцей способности достигается' яри соответсвуидам увеличении энергопотребления, т.е. меяду ..л-ребляемой от источников питания мощнсстьв и метрологическими параметрами ЦИУ существует _ обратно пропорциональная зависимость. Использование информационно-энергетического подхода, характеризующего затраты энергии в измерительной цепи Ки прием и передачу информации (работы П.В.Новицкого, П,П.Орнатского, А.Г.Алексенко, В.Й.Ефанова и других) показывает, что потребляемая м<" ¡ность современных цифровых ыультиметров.с автономным питанием на 5-10 десятичных порядков превышает минимальный теоретический предел, обусловленный влиянием энергии термодинамического шума на разре-иалвдэ способность и точность СИ. Это свидетельствует о наличии определенной энергетической избыточности у современных ЦИУ.

Снижение энергетической избыточности обеспечиваатся за счет уменьшения потребляемой мощности при использовании микрореаиыа, реализуемого снижением токов питания функциональных узлов ЦИУ на 2 —,4 порядка - от типовых значений в единицы - десятки миллиампер до единиц - долей микроампер. В микрорелиме существенно улучшается ряд акных показателей СИ - надегность, материалоемкость, экономичность, автономность и др. при одновременном расширении на (10 - 20УС диапазона рабочей температуры.

Эффективность микрорелина как средства повыпения надежности обеспечивается снижением до пренебрежимо малых значений нагрьоа радиолектронных элементов рас.сеивархлй -«"»»«"и -т.е. умень-

'3

ичниен коэффициента электрической нагрузки элементов(Кэн)в тысячи и более раз. Известные методы расчета надежности электронных компонентов позвплячт оценивать интенсивность отказов только при Кэн >0.1, и дьйт о'инбоч :й результат при расчетах вероятности безотказной работы микромощной аппаратуры, когда Кэн << 0.1.

Основной причиной отказов элементов, работавцих в'микроре-киме п. и малых значениях питающего тока и напряжения, является медленный дрейф электрических характеристик, обусловленный физико-химическими процессами старения, скорость ко/орнх в суцест-венной мере определяется рабочей температурой элементов. При этом ускорение или замедление интенсивности отказов зависит от изменения температуры окрука^цей среды дТс относительно номинальной То - 233 К. дополнительного нагрева дТр элемента рассеиваемой моинсстьв, энергии активации Ео - (0.2,..1.4) зЗ. постоянной Больцманэ к и может быть учтено произведением двух коэффициентов йс и Яр, учитывающих влияние т .¡пературы и электри-ческ 1й нагрузки:

Лс = охр (Еа-дТс°/ к-То ); йр = ехр (Еа-дТр / к -То !, Использование коэффициентов йс и йр для аппроксимации интен-снвностей отказов радиоэлектронных компонентов пи табличным среднестатистическим значения« при козАФицУоктах электрической нагрузки от 0,1 до 1,0 и их зкетраполяцп.? в область мкг.рорежима, характеризующегося нинимапьиии значением коэффициента Кзк - 0. позволяет оценить прсдьльниГ: выигрыв б надежности "."сгтрошшх конпонентов, обеспечиваемый за счет применения шпфоренима: В...12 раз - для транзисторов, 10...30 раз -для диодов и 3...4 раза - для резисторов при изменении температура окруиавцей среди в диапазоне от 20 до 80°С. ^

Применение иикрорекина как одного из технологических методов улучшения качества СИ позволяет в ряде случаев повысить и точность ЦИЗ за счет ослабления взаимного влияния функциональных узлов через общие цепи питания, облегчения и выравнивания теплового режима аналоговых бликов при одновременной повышении кх входннх сопротивлений, уменьыения влияния внешних наводок и помех при высокой плотности ком^пновки элементов с малы« теплеч-делением и т.п. В то не время, согласно исследованиям характеристик полевых и биполярных транзисторов в микроревиие (работа '■' Я.Т. Загорского, Д.Б. Игумнова. В.К. Валиева. 'Т.Н. Агаханяна.

И.Ф. Николаевского и других), уменьшение токов питания от едкнич миллиампер до долей наноампер обуславливает увеличение температурного коэффициента напряжения змиттепных периодов биполярных транзисторов,чуменьшение коэффициента усиления по теку fi и граничной частоты усиления, повышение напряжения суко. Это приводит. в частности, к снижена быстродействия и разреаав'дей способности транзисторных каскадов. При уменьшении питавшего тока увеличивается уровень шумового сигнала и температурный дрейф напряжения смещения иикромоцних операционных усилителей при одновременном ухудшении их динамических характеристик, возрастает время задераки срабатывания компараторов, увеличивается инерционность аналоговых преобразователей, что приводят к ухудшению погреиностей и снинению быстродействия Функциональных узлов ЦИУ. Эксперимента "•■но установлено, что уменьшение токов питания от 100 до 1 мкЯ приводит к прямо пропорциональному позивению инерционности транзисторных каскадов с динамической нагрузке' и транзисторных компараторов, понижению граничной частоты и максимальной. скорости изменения выходного нзпрякзния микромощных 0У при одновременном 2...4-кратном снижения коэффициента усиления.

Таким образом, непосредственное использовя-ие только технологических методов совершенствования СИ не позволяет существенно уменьшить энергопотребление без ухудшения точности' илм бистро-действия ЦПУ. Как следствие, минимальная потребляемая мощность современных цифровых мультииетров с автономным питанием составляет десятки миллиьатт при классе точности 0.1...0,5, разреиап-цей способности 10 мкВ и времени преобразоьания (0.5...1) с.

Известные структурные методы улучшения метрологических и динамических параметров ЦИУ (работы П.В'.Иозкцкого, В .Н.2лявдк':са. П.И.Волгина, О.С. Туза, Я.Д. Скрииника. В.Д.Ц;:делко, В.И.Губаря, Е.Т.Володарского. И.И. Евланова, В.И. Малиновского. Т.Н. Алиева. Д.Р.Сейделя, Б.И.Ввецкого и других) во многих случаях являются достаточно эффективными. Однако их реализация связана с дополнительными аппаратурными затратами и, как правило, с возрастанием энергопотребления приборов. Вследствие этого в ЦИУ с автономным питанием иногда используют толььо автоматическая коррекцию аддитивной составляющей погрешности в аналоговой или в цифровой форме, обеспечивая улучшение точности за счет сниаенк:? быстро действия и применения дополнительных аналоговых запоминающих

"Э

устройств, счетчиков импульсов, регистров памяти и т.п.

Необходима разработка новых структурно-алгоритмических методов построения микромощных ЦИУ с автономным питанием, обеспечивавших высокую точность, помехоустойчивость и разрешающую способность приборов при использовании инерционных электронных блоков с низким энергопотреблением за счет комплексного применения способов автоматической коррекции погрешностей и способов минимизации потребляемой мощности, основанных на модуляции токов питания функциональных узлов во времени или в зависимости от уровня, частоты или скорости изменения входного сигнала при одно-

I

временном уменьшении питающего напряжен,.».

Эффективность использования структурно-алгоритмических методов в микромоцных ЦИУ связана с решением ряда задач исследовательского характера по выявлению наиболее эффективных принципов аналого-цифрового преобразования, методов автоматической коррекции погрешностей, способов обеспечения помехоустойчивости, алгоритмов Функционирования, структур построения и схемотехнических приемов,обеспечивающих оптимизацию параме.ров микромощных H'/i'J и ИИС по основным критериям "точность - быстродействие - энергопотребление" с учетом 30 Х-ной нестабильности напряжения элементов автономного питания.

Комплексное реаение перечисленных задач, вклшчая вопроси повышения надежности микромоцных ЦПУ, характеризует многоплановость проведенных исследований. •

Вторая глава посвящена анализу взаимосвязи принципов аналого-цифрового преобразования с потребляемой мощностью ЦПУ и разработке структур и алгоритмов функционирования интегрирующих приборов, обеспечивающих высокую точность, помехоустойчивость и разрешавшую способность при минимальном энергопотреблении.

При фиксированной длительности цикла преобразования ЦИУ Trip ¿. Const требования к динамическим параметрам основных функциональных узлов ЦИУ практически полностью определяются частотой дискретизации или квантования to. В частности, время зидерхки срабатывания компараторов, применяемых для сравнения входного и опорного напряжений в цифровых воль.метрах "и АЦП, либо время установления выходного сигнала ЦАП не должны превышать половины периода частоты fo при условии обеспечения допустимой погрешности дискретности /д. Поскольку динамическая мощность потребления

логических ВДП микросхем (серии К561, К!75 и т.п.) прямо пропорциональна частоте переключения, а токи (питания микроио®ных аналоговых схем установки;, лют в зависимости от требуемого быстродействия. то пи расчетному значению частота Го мояно судить об энергопотреблении Ш -с различными принципами аналого-цифрового преобразования.

Анализ развертывающего (рис. 1,а) и поразрядного (рис. 1.6) методов преобразования, реализуемых сравнением исследуемого нап-рякенич Их с выходным сигналом Ццап высокоточного ЦАП, показывает, что при одинаковых значениях допустимо.', погрешности дискретности Уд и длительности цикла Тпр тактовая частота Го при поразрядном кодировании может быть в Кзф = -0.3 /( Уд>1 в Уд ) раз меньше, чем при развертывающем преобразовании.

Ux / ГЦ

"Ч/ЦАП №

Uxt/Ъ

Тпр ,

О)

5) Ь

cUot/тк

•-jjot/тигп~'

Тпо

б)

Рис. 1

Рис. 2

Для двух- или многогактного временного преобразования, реализуемого путем интегрирования напряжения tlx в такте Т1 фиксированной, длительности с последующим разрядом емкости интегратора опорным напряжением Но в таете Тс5(рис, 2,а) либо в тактах Т2,...7п (рис. 2,6), предельный выигрйй в снижении частоты fo при аналогичных условиях ( fei Const, Тпр £ 2Т1). достигаемый за счет увеличения количества (п) тактов интегрирования опорного напрявения разного уровня (Uo - в такте Т2. Uo /2 - в такте ТЗ. Uo /4 - в. такте Т4 и т.д.), вдвое меньше, чем при поразрядном кодировании. Например. при Тпр = 0.1 с, Уд* 0,01 У. частота fo долина Сыть не менее 140 Гц - для поразрядного преобразования, 200 кГц - для двухтактного и 4 кГц - длч трехтактного интегрирующего преобразования при 100-кратном уменьшении опорного напряжения в третьем такте по сравнений со *торим тактом.

Обвдн свойством как поразрядного, так и интегрирущего «но-'

готактного (n > 2) преобразования является изменение опорного напряжения в разннх тактах. Следовательно, изменение крутизну или скорости изменения опппного сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования »»sao рассматривать как способ снижения частоты дискретизс чи и, соответственно, способ уменьшения энергопотребления иккроиощшл цифровых измерительных приборов при сохранении требуемых метрологических характеристик.

Создание микромоцных ЦЙУ для измерения сигнл; i малого уровня невозможно без рекенкя задач rio обеспечении их цсокой помехоустойчивости, поскольку снижение энергопотребления приводит к возрастанию влияния импульснн: наводок и помех пропиленной частоты вследствие увеличения входных и выходных сопротивлений аналоговых Функциональных узлов при уменьшении их рабочих токов в микрорехике.

Учитывая, что в приборах с автономным питанием синхронизация циклов преобразования с периодом сетевого напряжения практически невозноина, а исполюованне бходннх активных фильтров приводит к возрастании энергопотреСления и усложнении аналоговой части ЦПУ, наиболее эффективным средством подавления помех является применение весовых функций единичного ировня. реализуемых интегриро-

о

саннск измеряемого сигнала Ux в тактах оИ Фиксированной длительности. разделенных промекутками времени Та. ТЬ и Тс (рис.З), что позволяет выполнять интегрируншее двух- или трехтактное преобразование непосредственно в процессе формирования весовой функции при миникальнкх дополнительных временных затратах.

тег по к КС

Гис. 3

? чзсйости. кг-дуд. ачплитудно-частеткой характеристики ии-рнрук11(€го ПН, гсзлизу'Гцрго четырехтактную весовув фуккцич', азаннуи на рис. 3,а, имеет рид:

П =

sínTTrTí. cr.sTTfí TI +

cosuf(2TI + Ta * Tt)¡ ¡■и uc7a,uib>,c Ti = 20 ис. Ta = 10.5 ис. Ib - i<j.-i ¡a,

Ti'.=Hní!(¡ времь-нн интегрирования Ти = 4T1 минимальное псдаглс-синусоидальной помехи в диапазоне частот (49 - 51) Гц сое-

1Ь

тавляет 7?дБ. Помехоподавление вине 85дБ достигается примененной одноуровневой весовой Функции, приведенной на рис. 3,6, при значениях: "И - 20 мс, Та = 10.5 мс, ТЬ = 18.4 мс'.' Тс = 10.5 не.

Следует подчеркнуть, что при использовании однотактной весовой Функции минимальное'помехсподавление составляет ,34 - 40) дБ.

Увеличение количества 1. тактов Т1 весовой Функции позволяет улучичть разрешающую способность интегрирующих ЦИУ при одновременном повышении их помехоустойчивости, поскольку дисперсия 1)о белого шума со спектральной плотностью Зо уменьшается пропорционально суммарной длительности времени интегрирования входного сигнала: Во = ТГ- 5о / к-Т1.

В результате исследования алгоритмов интегрирующего преобразования с использованием весовых функций установлена перспективность применения в ыикромоцных ЦИУ метода адаптивного преобразования, обеспечивающего одновременное повышение точности и помехоустойчивости. При этом разряд емкости интегратора напряжением ; 1)о выполняется на интервалах времени Та, ТЬ и Тс (рис.4) только в случае превышения выходным напряжением Ни интегратора порогового уровня ипор, а после окончания последнего такта Т1 весовой Функции - напряжением У о в такте Т2 и напряжением !)о /в в такте ТЗ аналогично трехтактному преобразовании при в = 10, 100.....

Адаптивное преобразование при использовании весовой функции с несколькими к тактами интегрирования входного сигнала разной длительности позволяет уменьвить в к р^з требования к разрешающей1 способности компаратора, что эквивалентно увеличению амплитуды выходного напряжения интегратора. В этом случае интегрирование малого напряжения Ух выполняется в течение суммарной длительности кТ1 нескольких к тактов с последним разрядом емкости интегратора после окончания последнего такта Т1 весовой Функций, а при больших значениях их интегратор разряжается опорным напряжением 11о после камдого такта Т1, о'

Требование минимизации энергопотребления портативных ЦИУ, реализуемых на микромощной элементной базе, сводится к выполнению двух основных условий:

1) максимальному упрочению аналоговой части приборов:

2) наименьшей частоте переклвченин цифровой части устройств в процессе аналого-цифрового преобразования при обеспечении допустимой погрешности и разрелающей способности.

Следует отметить, что быстродействие портати' -ых ЦИУ ограничено практически инерционностью жидкокристалличеспх индикаторов на уровне 2-3 преобразований в секунду. Это дает возможность сравнительно просто реализовать разновременную автоматическую коррекции погрешностей в процессе преобразования.

При анализе структурных схем ЦИУ с различными способами автоматической коррекции погрешностей установлено, что применение отдельных видов коррекции в аналоговой. ,цифро-аналоговой или в цифровой форме не позволяет обеспечить высокую разревавщув . способность прибору в диапазоне входного сигнала, сравнимого с напряжением ' начального смещения СУ, при одновременной минимизации энергопотребления портативных приборов. Наибольший эффект в повышении разреааи^ей способности и точности ЦИУ достигается совмещением различных видов коррекции. Гд'рииср, если при разновременной коррекции аддитивной составлявшей погрешности для формирования больших значений напряжения поправки использовать мик-. ромоцный 8-ми разрядный ЦйП класса точности 0.5 и компенсировать погрешность дискретности данного ЦЙП дополнительным аналоговым запоминающим устройством с погрешностью в 1 X, то аддитивная погрешность ЦИУ может быть снижена до 0,005 у. относительно исходного значения. Аналогичный внигрм достигаете также конби-нацией цифрового и цифро-аналогового видов коррекции.

Улучшение метрологических характеристик ЦИУ с автоматической коррекцией погрешностей комбинированными способами обеспечивается при использовании сравнительно простых и низкочастотннх функциональных узлов с токами питания в единицы микроампер и практически без снижения быстродействия, ограниченного реалы « инерционностью жидкокристаллических индикаторов микромощных- ЦИУ. Вследствие этого использование комбинированной коррекции можно ( рассматривать как один из способов построения высокоточных циф-" ровнх измерительных приборов и ИИС с автономным питанием.

з

В третьей главе рассмотрен» стрцктург.из '„'хеян и ог.нпвнис характеристики микромощннх интегрйруящкх з>игсйрмд»атм8й напряжения в интервалы времени и частоту,

5сновнм*и функциональными узлами любого чвателя нап- ■

ряявниз в интервалы времен (ПИВ) являются последовательно соединенные маситабируивдй или буферной усилитель, интегратор и компаратор, уменьшение тока питания которых однозначно приводит к возрастанию погреиности преобразования. Вследствие этого реализация высокочастотных Ш!В с малым энергопотреблением обеспечивается за счет использования многотактного (трехтак.лого) интегрирующего преобразования в сочетании со структурно-алгоритмическими способами автоматической коррекции погреиности.

Примером структурного построения трехтактного интегрирующего П!13 является схема рис. в которой коммутатор 5Й2 служит для переключения коэффициента усиления масытабирувцего усилителя ; Й1 на разных диапазонах преобразования и отключения интегратора А2 от выхода усилителя 01 на время установления переходных процессов при коммутации измеряемого Их и опорных Ио, Ио/а напрз-лений. Для уменьшения аддитивной погрешности после каждого цикла преобразования 11х интегрируется суммарное напряжение смешения Йсм усилителей А1. А2, и р цифро-аналоговом преобразователе ЦДП Формируется напряжение поправки, подаваемое на интегратор А2. К особенностям ПИВ рис. 5 относятся использование тока, протекающего по цепи обратной связи усилителя для перезаряда интегрирувией емкости С в процессе преобразования, и отключение тог,а питания компаратора АЗ на рреца интегрирования -напряиений Их и ^см, выполняемое -логическим автоматомцПА.

о

Компенсация напряжения смещения Ясм - ± 5 мБ восьмиразрядным ЦйП ПАП выполняется с абсолютной погрешностью 1 40 мкВ при разрешающей способности ЦПУ в 1 мкВ за счет одновременного применения цифровой норрекцни. погрешности, т.е. результат измерения формируется по разности кодов, получаемых в циклах преобразования напряжений их п Уем. В итоге микроиоиный ПИВ характеризуется пилотностью лучше 0.03 У. в диапазонах (0 - !0) мВ и '0 - ! )В при токе питания менее 30 мкй от источника напряярния*( 3 - 5) В.

Сочетание различных видов автоматической коррекции позволяет улучшить компенсаций аддитивной погрешности интегрирующих^ Ш1Б и и повысить их разрешающую способность при сравнительно небольших аппаратурных затратах и минимально энергопотреблении. Например, если в трехтактном интегрирующем ПЯВ для компенсации суммарного напряжения смещения применит!» Я-ми разрядный ИЙП и аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) на основе имтегсатора с погрешностью 0,52, то при последовательной работ;' 1}ЯП и ПЗУ соотсет-стг-- «но во втором р третьей тактах греобрлгорлиия обеспечивается компенсация напряжения Сии £ 5 кЕ до уровка 0,2.мк5.

В никроноцннх ПИУ с автономным питанием двухкратное улучшение разрешающей способности без увеличения энергопотребления достигается инвертированием полярности ^хпд«Лго напряяения ПИВ двух частных циклах преобразования и вычислением результата по разности полученных кодов. При зтом г структурную схему ПНБ (рис.5) вводится еще один двухканальннй коммутатор, например, на микросхеме К561КП1, и при аналогичном алгоритме функционирования логического автомата /Ш обеспечивается разрешающая способность 0.5 мкВ при времени, преобразования 0,5 с за счет комбинированного применения цифровой и цйфро-.Ожоговой коррекции погрешности. Это реализовано в серийном приборе типа ЦР.6002.

Интегрирующие преобразователи напряжения в частоту (ННЧ) характеризуются более высокими требованиями, к быстродействии!, интегратора и компаратора пс сравнению с ПИВ при одинаковой точности и времени преобразования. При анализе структурных схем ПНЧ установлено, что наиболее перспективными для сияния энергопотребления являются ПНЧ с импульсной обратной связью, в кмо-рнх за счет разряда емкости интегратора импульсами стабильной вольт-секундной площади существенно ослабляется зависимость точности преоСфд^онания от чувствительности и задержки срабатывания

компаратора. Это позволяет применять в качестве компараторов микромоиные триггеры 5ми> ■-> ,1а биполярнкх ■и МДП транзисторах и. кроме того, уменьшать потребляемую мпиность высокоточных ППЧ использованием комплементарных микросхем для формирования стабильной длительности импульсов обратчпй связи. .

Для улучшения характеристик мк^.пмоииих ПЙЧ предложено применять: много-такгно* частотное преобразование с изменениям крутизны л разновременной аддитивной коррекцией, сбеспечивавцее повшенлв разрешавшей способности и ■••vr.ii} пзгзевяосгй яас-•сресностн ЦИз при цчсньтенной ч<нл>«7е л. соответст~г><но. потрз-

мой моанжти Я1П: »«•{•*м«чнчк<* постоянной нремеи/. >шгегр-з-;ора в процессе заряда л интегрирующей емкости ц"-.>,»

компенсации погрешности нелинейности ПНЧ: модуляция тпв- ;:;:тл-. иия компарат.ора . в зависимости от уровня выходного шф'-гиия интегратора-и модуляции тока питания интегратора пропорционально выходной частот» Г.!П длч уменьшения энергопотребления.

Рззоабог -ш новые структурмяв схема мкоготаг.тнах ПНЧ с переменной крутизной преобразования, в которых за счет изменения алгоритмов работы логически • .автомата и применения ЦйП в цепи обратной связи обеспечивается линеаризация характеристики пер-еичного измерительного преобразователя методом кусочио-динэйной ■ либо полиномиальной аппроксимации, а такие функциональное преобразование исследуемого напряжения (возведение в степень, извлечение корня, определение экстремума, вычисление степенных-азлиномов. циножеиле и деление напряжений и т. п.). Применение логического автомата на ¡ЭДП иикрухемах для выполнения вы-Гис-яйтзльннх операций в процессе частотного преобразования сигнала дает возможность расширить функциональные возможности и повысить точность ПНЧ без увеличения энергопотребления.

При построении высокочастотных преобразователей, в частно.-т:<, преобразователей емкости в частоту длг цифровых измерителей относительной влажности, реньиение потребляемой мощности достигается ограничением на уровне десятков - сотен микроампер тока питания высокочастотных узлов и- снижг. -см до единиц - десятков чилогерц частоты переключения логического твтомата за счет фор-чцрования разнссти -тЗоазцоезй и изменяемой частоты с помочь» блока вычитания часто- на ЩП микросхемах.

Йвтттйзчоованяз! коррекция аддитивной погрешности ПНЧ и

кусочно-линейная аппроксимация характеристики преобразования на разностной частоте б tí - 20) кГц реализованы в паровых влагомерах nüüW-V и АмRS00 при потр^блярмой моаностя логического автоиатд менее 300 мкРт и длительности цикла измерения 0.5 с.

Fd.->i>iiU»TdHB миьромицнне преобра^оьателн сопротивления в напряжение для универсальных ЦИУ с автономиям питанием, в которых за счет регулирована тлка питания ОН на разных диапазонах измерьния сопротивлений и применения аддитивной коррекции обеспечена р*зреаа*адя способность лучае 0.! Сп при потребляемой М011(Н1'.'ли кчинв 500 мкВт,

йссладованм преобразователи напр*;.,, ил в ток на ыикрпмоцных 0:1 и биполярных транзисторах, используемые для калибровки первичных измерительных преобразователей приборов ЦРП301, ЦР6802, UP5S03, работающие в диапазоне напряжения питания ±(3 - 5) Б и характеризующиеся погрйеностьв менее С.' V. при формировании стабильного тока !0 иА в температурном диапазоне от 10 до 40°С при питающем юке не более 10.fi мй.

Высокие технические характеристики р сработанных преобразователей обеспечиваются при минимальном энергопотреблении и сравнительно простой схемной реализации, что расыиряет возможности их применения в качестве универсальных многофункциональных устройств никроноцных ЦИУ и ИЙС различного типа.

Четвертая глава посвящена разработке методов и схемотехнических прИихоь построения микроцощных функциональных узлов ЦЙЯ. Особое вниМйЬ:»;& цделено микромощным источникам опорных напряжг-ний (ИОН). врвиен.,ля и'температурная стабильность которых полностью сиредбляют точностные свойства ЦПУ электрических величин. При исследовании опытных образцов микросхем низкоьзльтных hQfi типов И2ЕП30ША-Е и С038. характеризующихся опорным напряжением (1,3 i 0,1) В при ноыинальнок токе стабилизации 0,5 мА, ~ выявлена существенная зависимость температурного ко. мщиенто напряхения (ТИП) от тока питание, ограничивавшая их применен-, в VKKpoxvitHiix ЦИЗ. Вследствие этого при разработке тсру " тайи.'> ■ них КОН с токами питания а единицы - десятки микроампер примена • кы сборки транзисторов КР138НТ15. i^i^HTSE^i резисторы С2-23 ; ьрехымай нестабильностью еог^отиьл*«.''"; хг.кве 0.05 У. за 10 лет.

>'■' результате экспериментальных исследований зц'е^ист«" •iWdUCtovih ь'икрасхеи l£¡¡$Wi¿ Í98HT5C йстйновлеьо«, »-те »«-

пазоне тока (10 - 0,1) ыкй значительно повышается крутизна изменения ТКИ эмиттерных переходов при понижении тока коллектора. Это позволяет прикзрно в 3 раза уменьшить р?г'ость токов, протек. 1йцих 4«i?d3 отдельные транзисторы схемы l'3'i, м отношение сопротивлений применяемых -нзисторсз и тем самым обеспечить расширение на (20 - ЗО'-^С диапазона рабочей температуры микромоцных ИОН по сравнению с типовыми устройствами, ииевчиии ток стабилизации в единицы миллиампер.

В приведенной на рис. 6 схеме ИОН термостабильность опорного напряжения Uo обеспечивается за счет компенса.,ии отрицательного Т!!Н зниттерного перехода транзистора UT3 усиленным в P.2/R раз положительным ТИП разности напряжений "змиттер-база" Узб транзисторов UT1. UT2 и достигается практически регулирсв-кой сопротивления резистора R.. Усилитель на транзисторах VT4, 'JT5 позволяет снизить выходное сопротивление ыикроыощного ИОН до единиц - десятков Ом. Стабилизация опорного напряжения Уо ири изменении напряжения питания от 3 до 5 вольт обеспечивается применением генератора тока ГТ (рис. 5) либо вклнчениеы ИОН в цепь обратной сья:5и микромощного 0U типа КР140ИД1208, работающего при токе питания (5-10) мкй.

Предложен метод уточненного расчета параметров низковольтных ИОН, учитываю^ влияние температура на змиттерныз напряжения изб и коллекторное токи транзисторов. Согласно данному методу, для обеспечения терна.лабильнэсти опорного напряжения Чо необходимо устанавливать отношение сопротивлений резисторов а схеме (рис. 03 с учетом напряжения запрещенной зоны лрьннкм Ео -'1,200 В, температурного потванл^д Уг - 25.4 ¡¿5 и ксз^'и-

циента п - (1.5 - 2,5), определяемого технологией изготовления транзисторов, по формуле: ..152/1* = (Ео + п-У^ - и^п - Г1 2 Ут/СВо - Изб)]/ Ут-1п(Р.2/151). При этом значение си"-"сгз напряжения Но с нулевым ТКИ можно рассчитать с погрешностью не более 1.5 У. приближенным выражением ио - Го 4 УЧ-г2 + п) - 1.3 В. Пр~изженэ :<ртг.дика эчгпрнгс-настройки РОН. обеспечивающая бистру« установку опорного •-•лпрягенка ?Ло с ТК!1 маняе 0.0005 7./°1 в условиях серийного производства.

Низковольтные И0'1 на микросхемах 1 ЗОИЛЕ, 13СПТ5Б используется в серийно внпаскаейых иикрояозиих ИМ? тнг.ое Ц58009. НР6802 , ЦРЗЯОЗ. ЦРС305 и характеризуете.? виходтам напряженней от 1,3 до 1,4 5, ТКН менее 0 .0005 У./0С и временной нестабильностью лучше' 0,01 % за год эксплуатации при токе питания г 15 - 20) мкй.

. При исследовании микробных компараторов на транзисторах и О:! установлено, что умекыкгие ток* пчтйп;^ «т 100 до 1 мкй приводи- к лропирциональкони снижения бистродейстг-ия и мало влияет Нх розрешав*уи сносс^ность и коэффициенты, усиления устройств.

. Предложено в микромощныл преобразователях напряжения в частоту (ПНЧ) использовать упрощенны* схемн компараторов с модуляцией 'тока питанич на основе триггер* викт^т. Примером такого 'омг.аратора является схема (рис. ?), кмевцая максимальный ток питания Тп = Цг, / (КЗ + К4) + 2!'э5 / К2 при отрицательном входном напркнении 1!х, сзстветствуюцем порогу срабатывания . - - изб (1 + Я\/Г<2), и так питания 1п ; 0 при напряжении Пх > 0. с ¡Фк функционировании П1Г-! кемпаратор . сраба .вает только в моменты равенства напряжений 1!х - Упор, после чего 1<х возрастает за счет влияния импульса обратной средний ток питания компаратора не превышает единиц микроампер при времени задержки срабатывания не более (5 - 10>

Отмечена перспективность применения в качеств;"' компараторов частотных преобразог.ать-.ей микромскних триггеров биитта на К»ДИ логических элерон:лх, пйо'спечиваванх задержку, срабатывания яснее 1 мке при напраяании питания (3 - 5) В и средней

гз

потребляемой мощности в десятки микоссатт.

Показана возможность тзсизенна быстродействия компараторов пои использовании нескольких микпсмпгнкх ОН. охваченных ннлкней-ной отрицательной обратной связь::, :: перспективность модуляции питания у г: р.тг я я г г. п.; сигналом ил:: с зависимости от уровня срав-ниноемчх напряжений дач унриьярниз годней потребляемой кояности.

В упрощенной схеме компаратора на двух ОУ типа К140УЛ12. по-занной на рис. 0. за счет применения обвей ООС (. Р,2. ЙЗ) снижено более чем на порядок время срабат!;г_,",1п по сравнению с кои-иоротором на одном 0У при одинаковом энергопотреблении. Для модуляции тока питания в зависимости от уровня входного напряжения Ь'х применены транзистора ИТ! - УТЗ. уменьшающие в Ру/Е*д раз ток питания ОУ пси напряжении ¡Их! £ 1/зб Р.! (К4 + Р.5УШ + К2) ?3. При использовании схемы рис. 8 в интегрирующих ВЦП время-импульсного типа достигается 10 - 20-кратны;'! ьпсг ни к энергопотреблении компаратора по сравнения с аналогичными устройствам; з модуляции тока питания.

Уменьшение времени задержки срабатывания 1зд до единиц микросекунд при токе питания менее 10 мкА обеспечивается в транзисторных компараторах на основе дифференциального каскада с динамической нагрузкой, коэффициент усиления которого К > 1000 мало зависит от напряжения питания. Для получения рззрзааваей способности д11к £ 10 мкВ целесообразно на выходе каскада с динамической нагрузкой устанавливать КУДП логические эленентн. стробирдеаив нкпульсаай напряжения 'к больной скважности с длительностью (2-5) мкс. что позволяет снизить ' энергопотребление логических элементов, обусловленное протеканиен сквозного тока в моменты срабатывания компаратора!

На рис. 9 приведена схема микром* -юго компаратора с модуляцией тока питания дифференциального каскада С иТ1 - У74) управляющим сигналом Чу, в которой за гчет применения КМДП элемента 01 (типа 1>5Г)1ЛЕ5) с коэффициентом усиления К1 > 100. ..,500' и линейном' режиме работ«, обеспечивается оазрезавиая 'способ-

Zi

i т Т

/

5 D2l

г1

г

-о и у

ность aUk < 10 мкВ при напряжении питания Un ь 3 В. Необходимое. значение тпка питания In = (Вн - Вэб) / R:: дифференциального каскада цстйНйвлкьактея в зависимости от допустимей Зйдвркки срабатывания 1зд компаратора с учетом коэффициента усиления К1 и сходней емкости Сех логического элемента D1: In £ VT-UII'CBX / 2К1-дВК'1зд.

Предложен способ контроля разрешающей способности и быстродействия микроноцкых компараторе-' для интегрирующих ПИЙ. заключающийся в формировании сигнала треугольной формы, частота которого f - l/2t3fi определяется временем задержки срабатывания tsfl компаратора и устанавливается регулировкой

его тока питания. Рис. 9

При анализе энергопотребления цифровой :а.сти ЦЙЯ установлено, что значительная часть - (50 - 70 ) У. потребляемой модности - • приходится на генераторы импульсов, ток питания которых возрастает при повниенин частота и увеличивается пропорционально квадрату питающего напряжения как при использовании КМДП логических элементов, так и транзисторных каскадов с динамической нагрузкой.

Для сравнительной оценки качества генераторов различного типа предложено использовать коэффициент, характеризувций затраты мощности на один герц (килогерц) колебаний при равенстве напряжений питания генераторов: Кг = Рпот / f, при Un = const. 8 результате экспериментальных исследований типовых схем генераторов импульсов на КМДП элементах серий К176. К501 и 564 установлена целесообразность применения микросхем типов К561ЛП2, К561ТД1. К561ТЫЗ. К176Ш,. обеспечивающих уменьшение -ока питания в 2 - 4 раза при частоте колебаний в единицы - десятки килогерц, в диапазоне напряжения питания от 3 до 10 В по сравнении с другими логическими элементами КМДП типа.

Предложены универсальные способ: снияеаля энергогштребЛЕи»« генераторов импульсов RC-типа и с кварцевой стабилизацией чаете-ты: использовала в уели питания микросхем нелинейных сопротивлений для ослабления 'зависимости потреблявшей мэц»гс"' щ кзгрд1-

яенип питания: комбинированное применение в схемах генераторов

комплементарных «штя?'..... •• ЯДП трлнзистр.рннх каскадов: стабя-'

лиззикя тскз питания гв гиро::оа диапазоне изменения пятзщего напряярния г. последующим усилением выходных импульсов. Разработан ряд новых "схем генераторов импульсов на транзисторах и логических элемянтах. часть кото-<х показана на рис. Ю,а-б.

а) б)

Рис. 10

Ограничение тока питан???. мультивибратора на уровне от 10 до 15 мкЯ при изменении питающего напряяония от 3 до 15 В достигнуто в схеме рис. 10,а за счет применения генератора тока ГТ. Для усиления амплитуды импульсов от 3 В до напрягения Цп применены транзисторы 0Т1, УТ2. работавшие в В-региме. чем обеспечивается более чем 10-кратное снижение энергопотребления генератора по сравнении с Кп'ДП мультивибраторами при одинаковой частоте колебаний 32 кГц и повышенном до ('0 - 15) В напряжении питания.

В ИС-генераторе на транзисторах КТ3102Е. КТ31072 и логических элементах типа К561ЯП2 (рис. 10.Й) потребляемая мощность не превышает 10 »кВт при иапрязешш питания (3 - 5) В и Формировании импульсов с частотой до 1 кГц. Уыеньвение энергопотребления обусловлено у;кии диапазоном ( 100 - 150) иВ переклвче-ння комплементарной пар;; бкг.оляснах транзисторов, что позволяет более чей . на порядок скипить влияние сквозного тока, протекавшего через » транзисторнкй каска* в процессе формирования колебаний, по срав-^---нению с КМДП инвертором. Применение логического инвертора 03 V ' повторителя С4 позволяет получить два противофазных сигнала с пересекающимися фронтами импульсов, используемых для управления модулятором микромощного усилителя постоянного токе СУПТ). . -

Пр? я .¿лси-.гаиий ник;ековних УПТ нстановлена перспективность ар$шавск«п ^огяигс канала параллельно низтастотномц чс-штл* с ко5'..ляцией-демодчляци8й входного напряхенияа (схема Гсльдбсрг.*,). Предложено в персом каскаде усилителя низкой частоты применять биполярные транскстори с токами питания в единицы микроампер. иипЕчие преимущество-перед полевыми транзисторами и ОУ по напряжению шума при равенстве потребляемой мощности. Показана возможность уменьшения входного тока и энергопотребления УПТ снижением частоты управления модулятором и демодулятором при обеспечении разреыокций способности лучше 0.1 мкВ, что обусловлено слабой зависимостью спектральной п;. л кости напряжения шума транзисторов от частоты при микро- наноамперных токах питания.

Для расширения диапазона измерений мнкромовдых ЦПУ целесообразно использовать активный делитель напряжения на 0У типа К140УД12 (рис.'II), характеризующийся входным током 1 нП и диапазоном входного напряжения |Их| ^ ¡Вп | при об^ем токе питания 0У менее 10 мкй. Применение такого устройства в сочетании с коррекцией аддитивной погрешности, реализуемой переключением полярности напряжения Их коммутатором 5А1типа К561КП1, позволило обеспечить разрешающую способность прибора т.ипа ЦР68СЗ лучше 2 мкВ при входном сопротивлении более 500 1.0м, Рис. 11

Рассмотрены особенности построения микроиоцных сервисных узлов ЦИУ - устройств защиты входных цепей от перегрузки и блоков вывода информации на терыопечатакщее устройство.

Для формирования граничных напряиений срабатывания микромощ-иых устройств зациты предлоиены схемы опорных элементов га транзисторах КТ3102, КТ3107 с токами пкгания менее 1 мкА. Сочетание ограничителей уровня входного напряненил с поляризованны;.; реле типа РПС-32 позволяет обеспечить надеанув завиту входных цепей ЦИУ. в то* числе и от сетевого напртаения 220 В независимо от диапазона измерения приборов. . .

. Длй" снижения энергопотребления микроиодных ЦИУ вывод результатов измерений на внвиние регистрирующие приборы целесообразно

исполнять ь иоследоьлудьнии коле через блоки гальванической развязки но кмярьгчнх тт^чсФоряаторзх.

Предложен нопий способ вывода информации с михроношшч ЦИУ. зачлвчаицийся а <>»риир!«>ании импульсов синхронизации внеаним устройством и подаче з'тих ичпульслп чсроз' дополлительнуй резистор' на импульсной транеадоаатор, сппотивленне которого дискретно изменяется за счет иинтирозания его вторичной обметки ИДЯ транзистором е. зотнсимости от последовательного кода, соответствующего результату измерения ЦИН.

Разрчбтчнн и внедрен« в серийных пр-юерах !'Р6801 , ".¡Р6802 и ЦРЗ003 блоки вывода информации с гальванической развязкой, имевшие средний ток питания менее 2 икй при выводе 24-х разряинсго двоичного кода с периодичностью 2-4 раза в секунда.

Общим свойством, характеризуюиии разработанные функциональные узла микромонных ЦПУ. является обеспеченно требуемых технических параметров при токах питания в единицы - десятки микроампер. что позволяет их использовать в различней измерительной аппаратуре и ИНГ, с минимальным энергопотреблением,

В пятой главе рассмотреть -,со5енности практической реализации микромоцннх ЦПУ на основе предложенных способов структурно-алгоритмического построения и новых схемотехнических решений.

Цифровой прибор ¡358003 предназначен для измерения постоянного напряжения и текз в диапазонах 1 мкВ - 500 Б и 10 нй - 0.1 А. Имеет 4 десятичннх разряда, класс точности 0,05 / 0,02, грана измерения 0,5 с, подавление помехи нормальнсго вида с частотой

+ ■!) Гц не менее 73 дБ, среднюю наработку на отказ 23 т:г-,ч, массу около 1,0 кг. Ток питания прибора не превнвазт 100 нкй, чва обеспечивается время непрерывной работы без смени элементов автономного питания (типа 3-316) не менее 1 года.

В приборе применены тпхтактное вреня-нипульсное кнгегркр"-саез преобразование я легоя весовых функций» согласно которпки ¡•нтегрирование входного капрянпния выполняется ра три часгиу мкта г; гиительнсстяик в ¿С. 40 к 20 кс. разгелениих кегду собой п^сиехуткаки врекени с 10 не. Высокая пазгегзерзя способнгсть I ; ¡:кЬ - по напряяен-:в и 10 нй - по току) достигается за счет ионСкнирг-ванной цифровой и цифро-аналоговой коррекции аддитивно:* иогр внести, выполняемой после каждого цикла измерения.

В структурную схему прибора ВДЗООЗ. показанную на '2.

входят источник опорных напряжений ИОН, формируииий двухполярные напряжения 1.3 В и 13 мВ с ТКН менее 0.001 входное устрой-

ство ВУ, содержащее делитель капряаения к блок иунтов для измерения тока, устройство защиты входных цепей ИЭБЦ от перегрузки, многопредельный преобразователь напряжения в интервалы времени ПИВ и корректируй! ^ ЦйП. Цифровая часть прибора зклвчает логический автомат /!А. реализующий заданный алгоритм преобразования, генератор образцовой частоты ГОЧ, делитель частоты ДЧ. реверсивный счетчик импульсов РСИ и блок индикации БИ.

Рис. 12

К особенностям схемы ¡308009 относятся: ¿¡одклпчение выхода корректирующего микромощного ЦйП к входС.1 установки нуля интегратора ПИВ, отключение тока питания компаратора ПНВ в тактах интегрирования входного напряжения и пониженная до единиц килогерц - десятков герц частота переключения функциональных узлов цифровой части, что позволило уменьшить потребляемую мощность прибора до (0,7 - 0,9) мВт при питании напряжением ±(3,5 - 5) В.

Приборы ЦР5001. ЦР6802 и ЦР5803 предназначены для работы в системах энергетической фотометрии и служат для измерения выходного шряжения термоэлектрических первичных измерительных преобразователей (ПИП) мощности и энергий лазерного излучения. К специализированным Функциям приборов относя гея: компенсация начального (темнового) напряжения смещения ПИП. калибровка СИ образцовым электрическим сигналом стабильной мощности, подаваемым на обмотку калибровки ПИП. выделение и запоминание максимального результата преобразования при измерении энергии импульсного излучения лазера, индикация результатов измерений в единицах опти-/ ческой величину (моавпети-- ррт*. »;

Прибор типа ЦРОС01 характеризуется разрешающей способностью 0.1 мкВ и .обеспечивает измерение и запоминание максимальных значений напряжения в диапазоне от 0,1 мкВ до 1СЛ мЕ с приведенной относительней погрешностью от 0.1 до 0,05 У. при вре^ни преобразования 0.25 с. В структурной схеме прибора применен микромоцный двухканальный УПТ с модуляцией-демодуляцией входного напрязения, а для снижения аддитивной погреиности трехтактного ПИВ используется аналоговая коррекция, внполняемая в течение 30 не после каждого цикла преобразования. Для подавления помехи промышленной частоты не менее чем на 78 дБ входное напояжение интегрируется на четырех последовательных тактах длительностью 20мс, разделенных тремя интервалами времени 10,5 мс. 18,3 мс и 10,5 мс. При электрической калибровке ПИП стабильным током 10 «ñ. формируемым генератором тока на время в 1 с, ток питания прибора составляет I0.fi мА, а средняя потребляемая ыоцность ЦР5801 в режиме изыере-та не превышает 3 мВт при токе питания 0.3 мй.

И особенностям ЦР6801 относятся; автоматический выбор диапазонов' измерения (1, 10 и 100 иВ) путем переключения коэффициента ■ усиления УПТ по командам логического автомата.' запоминание максимального значения входного сигнала, вывод информации на термо-печатаищее устройство типа Ф6805/3 через блок гальванической развязки с пробивным напряжением более 1,5 кВ. Вреш. непрерывной работы UPG80Í без смены элементов питания типа A-31S превышает один год эксплуатации при односменном рехиие работы (8 ч.в день).

В приборе ЦР0002 за счет адаптивного интегрирующего преобразования, реализуемого методом весовых функций, и автоматической , цифровой коррекции аддитивной погрешности, выполняемой инвертированием полярности входного сигнала в двух частных циклах измерения, обеспечены разрешашиаа способность 0,5 мкВ, класс точности 0.05 и время преобразования 0.5 с при потребляемой мощности ненре 1,5 мВт. В отличие от ЦР6801, в приборе ЦР6302 применен УПТ на микромощном 03 типа КР140УД1208 с коммутатором полярности входного напр.. ¿ения, поступающим от термоэлектрического ПИП. Цифровая часть ЦР6002 имеет аналогичная ЦР6801 структурную схему и отличается алгоритмы функционирование: результат измерения формируется как алгебраическая разность кодов, полученных за два частных цикла преобразования входного сигнала разной полярности.

Прибор ЦР6802 предназначен для работы в средстве измерений

грйдней мощности к энергии лазерного излучения типа ИНО-З.

Прибор характеризуется разреааваей способностью лцчзь

1 мкВ. классом точности 0.05 и временем преобразования 0,5 с при потребляемой ноцкости в режиме измерения 1 кВт. Предназначен ала работы ь составе СИ средней мощности лазерного излучения ШШ-4 и & составе СИ интенсивности тйплоеого облучения типа ИйО-5 при использовании ПИП с выходным сопротивлением до 1,5 НПм. И особенностям прибора относятся: автоматизированная компенсация начального ('темпового) напряжения ПИП с помовыа ЦЙП; автоматические переключение диапазонов измерения: высокое - более 500 МОм -входное сопротивление: зирокий диапазон измерения входного сигнала, сравнимой с напряжением питания прибора ±(3,5 - 5)В; стабилизация электрической мощности калибровки ПИП. Компенсация аддитивной погрешности аналоговой части ЦР6803 выполняется цифровым способом аналогично прибору ЦР5802.

Прибор ЦР0004 предназначен для '"-¡мнрения выходного напряжения манометрических датчиков давления и характеризуется классом точности 0.05 и временем, преобразования ..5 с при потребляемой мощности менее 0.7 кЕт. Структурная с;:ема к принцип действии прибора аналогична 566С03, по сравнении с которым в ЦР6804 за с,чет уменьшения токов питания иикооиецних усилителей и улучшения схемотехники повыаено до 50 1!0м входное сопротивление и обеспечена малая погрешность нелинейности (менее 0.01 ул при двухкратном технологическом запасе по.классу точности и пониженной на 30 У. энергопотреблении.

Прибор ЦР6805 является рабочим СИ мощности лазерного излучения с длиной волны 0.03 ики в диапазоне измерения от 10 ыкбт до 50 мВт и предназначен для работы в составе медицинских диагностических и физиотерапевтических систем. Принцип действия основан на фотоэлектрическом преобразовании мощности излучения в силу тока с последующ м его преобразованием в напряяение и частоту, измеряемую цифровым способом.

К особенностям ЦР6805 относятся: автоматическая стабилизация обратного напряжения фотодиодного ПИП для линеаризации характеристики преобразования, цифровая кои-г^ация'темпового (начального) тока фотодиода и аналоговая коррекция погревности нелинейности '-микромоцного преобразователя напря«ениа в частоту ПНЧ, модуляция тока питания компаратора схемы ПНЧ в зависимости от .

цровня ьходного напряжения, внсокочастотнэа преобразование полярности наиряненим питания, чем обеспечена потребляемая иод-кость менее 2 мВт при пит-нии от однополярного источника напряжения (3,5 - 5) В и 2 3т— при питании от промышленной сети. За счет снижения энергопотребления и упрощения схем» обеспечена высокая надежность прибора ЦР>5П05 - время наработки на отказ превкиает 25 тыс. ч.

Влагомер йВбЯОО предназначен для экспрессного определения относительной влажности мытой иерсти, рассчитываемой как отношение массы влаги в образце к его не: .пальмой сухой кассе.

В приборе использован диэлькометрический метод измерения, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости материала от его относительной влажности. и реализовано точное измерение малых прирлчениЯ ,еи::ости ПИП о диапазоне (0.5 - 3) пО, соот-ЕОТстЕцииемц изменении относительной влажности, от 7 до 30 У.,

Для повышения точности влагомера и индикации результатов измерений ? процент,г; относительной влакиости в приборе применена кусочко -л:;:;гГ::;ал зг.прешпгацпя характеристики преобразований двухтактным способен с изменг-чеа коэффициента преобразования во втором такте по результ. гу хзиереивз частоты в первом такте.

ИсиояьзоБан;:е предложенного способа ЪМлШчиьлоноги частотного преобразования г сп':<?тзник с авгокаткческой коррекцией погрешности позволило акеньгкти частстн пзрокязчеш«: цифровой части АОбООО до достгков килогерц и повысить надежность прибора за счет инииения потребляемой мощности до десятков милливатт при питании от гальванических элементов. Абсолютная погрешность измерения не превнзазт ('...3) 1 при • осмени преобразования 0.5 с. При питании от сети 220 В и выводе информации через стандартный интерфейс потребляемая мощность прибора составляет 10 Вт.

Разработанные структурно - алгоритмические методы применены гакке для укеньаекия (в 20 раз) потребляемой косности и линеаризации характеристики прибора для контроля влавности немытой шерсти ПКВНЭ-М. повыаения точности и помехоустойчивости многоканальных термометрических комплексов типов ТНК-15. ТЙК-30, ТЙК-60 и других 1ДОС и приборов для коь.роля качества электроэнергии, по которым проводятся опытно-конструкторские работы.

'а счет снижения энергопотребления з разработанных приборах и системах обеспечено увеличение времени наработки на отказ до

20 - 30 тис. ч. г;ри одновременной улучиении динамических и к. ностных параметров структурно-алгоритмическими методами.

Основные результаты работы и выводы

Основным научным результатом диссертации является решение научной проблемы - снижение энергетической избыточности высокоточных цифровых измерительных приборов интегрирующего типа, достигнутое разработкой ковах структур построения и алгоритмов функционирования никромокных измерительных устройств с использованием кимС'иьир1»Баько»; коррекции псгреакос. Л и переменной крутизны преобразования нпшшнйич на&язшпети и члучвенкя разревзв-цей способности. илтягкаляпккс-т.. автономности и зксксвичиости.

Конкретные р<ьуАо1о-.ы проведенных исследований можно сформулировать следуй^им образом:

1. Доказана целесообразность применения многотактного. в частности, rpeATrtKTKi.ro аналого-цифрового преобразования с изменением крутизны преобразования в какдоы так-т как универсального метода уменьшения потребляемой мощности ЦПУ интегрирующего типа, обеспечивавшего высокую точность и надемнесть измерительной аппаратуры при одновременном снижении требований к быстродействии основных Функциональных узлов.

2. Обосковака необходимость использования способов комбинированной коррекции погрешностей для обеспечения высокой разрешающей способности и точности'микромоцных интегрирующих АЦП и ЦПУ, причем наибольший эффект достигается применением методов разновременной аддитивной и мультипликативной коррекции, реализуемых без увеличения энергопотребления приборов.

3. Установлена перспективность совмещения метода весовых функций с изменением крутизны интегрирующего преобразования для эффективного подавления помех промышленной частоты и пезыиениа точности измерения сигналов низкого уровня при одновременном уменьшении потребляемой модности ЦИУ. Улучшение помехоустойчивости и разрешающей способности достигается при этом за счет изменения алгоритмов преобразования "ез услынения аналоговой части микромощных приборов.

4. 'Предложены новые алгоритмы функционирования АЦП интегрирующего типа, обеспечивавшие высокую точность преобразования при

снимании в 20 - 50 раз - до десятков-сотен микроватт - потребляемой мощности за счет модуляции токов питания основных функциональных узлов во времени к использования дополнительных тактов коммутации сигнала, длительность котосых устанавливает с учетом инерционности микроиоздой аналсгогсГ: части АЦП или ЦИУ.

.5. Созданы новые сточктиры построения многотактных интегри-руицих преобразователей наппажянкя в частоту и е интервалы времени. ларактерйзуймпеся гысоксй точность?), помехоустойчивостью и разркыаюкей способностью пои сниженном на i - 2 порядка энергопотреблении. К особенностям иикрокссны . ннтегрирчоцих ПЦП относятся: большой - до S0 дБ - коэффициент подавления помехи промышленной ",астоты. достигаемый использование!.! метода весовых функций без синхронизации тактов преобразования с периодом сетевого напрякения: высокая разреааская способность - (0.5 - 1) мкВ. обеспечиваемая комбинированной разновременной аддитивной коррекцией: калэя основная погрешность.преобразования - (0.01 - 0.1) У.. получаемая при тактовой частоте цифровой части АЦП в единицы килогерц и (. с г родействки в 2 преобразования за секунду, высокое входное сопротивление — С i С 0 - 500) LÎCm и незначительный входной ток - (1 -2) пй, обеспечиваемые применением микромоцных 03, работавших при токах питания (3 - 10) мкй.

Б. Разработан пегий метод расчета микремояных интегрируваих преобразователей, ссгтспзгшЯ на взаимосвязи токов питания с систематическими погрешностями и динамическими характеристиками Функциональных узлов ЦИУ. Определены коэффициенты влияния токов питания на инерционные свойства основных аналоговых блоков -масйтабкруа'дих усилителей, интегра)оров и компараторов, аппроксимированные с учетом параметров микрокодах 0У и транзисторных каскадов в диапазоне тока питания от 100 до 0,1 мкА.

7. С учетом параметров моделей, характеризующих интенсивность отказов радиоэлектронных элементов, оценена эффективность применения микрорехимз как средства повышения надежности измери- , тельной аппаратуры. Получены аналитические выражения для расчета интенсивности отказов полупроводниковых элементов и рез'исторов при коэффициенте электрической нагрузки, близком к нуле. При количественной оценке предельного выигрыша з надегности злектро-ных компонентов, обеспечиваемой за счет применения никрорехима и снижения электрических нагрузок на 3-4 порядка, установлена

cocMosüccTb 10 - 20-кратного улучшения надежности электронных устройств при одновременном расширении диапазона ра'очвй температур!; на СЮ - по сравнении с номинальным режимом.

0. Рпедлоген уточненный метод расчета ыикромоаных ИОН на пряноомеценннл эмиттернях переходах биполярных транзисторов, использованный при созданы:: низковольтных терностабильных НЗН, Форнируюцих опорное напряжение (1.3 - 1.4) В с ТКИ менее (0,001-0.0005)Х/оС при токах питания, сниженных от единиц миллиампер до (10 - 20"' мкй. Установлена возможность расширения диапазона рабочей температуры кикрско«них И01! па ( 20 - 30)ÖC вплоть до ?0сС за счет сближения вол:, т-ачпурних характеристик и увеличения ТКК эииттерных переходов трзкз.ятоы» нри понижении их коллекторных токов в сотни раз - до (о - 0,1) мкй. Разработана методика экспресс-настройки микромоцных ИОН в условиях серийного производства, обеспечивавшая компенсации ТК11 до 0,0005 У./0С при временной нестабильности оперного нагояжения менее 0.01 7. за год.

9. Разработан ряд схем никромоцпых компараторов для интегрирующих частотно-временных преобразователен с модуляцией токов питания в зависимости от уровня входного или логических сигналов. Предлоиен способ контроля динамических параметров компараторов, позволяющий минимизировать их энергопотребление при обеспечении требуемого быстродействия и высокой разрешающей способности.

10. Установлена перспективность создания микромоиных генераторов импульсов на комплементарных биполярных и МДП транзисторах. Разработаны новые схемы генераторов импульсов, в том числе с кварцевой стабилизацией частотц, характеризующиеся сниженной на 2-3 порядка потребляемой мощностью - до единиц - десятков микроватт при напряжении питания (1.5 - 15) В. Получены .аналитические формулы для расчета основных параметров микрокодах генераторов импульсов на СУ. транзисторах и логических КИДП элементах.

11. Предлоаены оригинальные схемотехнические приеми, позво-лявгле уменьшить на 2-3 порядка энергопотребление функциональных узлов к интегрируввдх АЦП при одновременном улучает«: техни-чесгих характеристик, на основании которых разработаны: высокоточный маевтабируавий усилитель с вх„дным сопротивление*! свыше 500 КОи и диапазоном входного сигнала от 1 ыкВ до напрякения питания '5 Б; измерительный усилитель с параллельный каналон модуляции - демодуляции, обеспечивавший разреваюцу» способность ЦЙУ

0,1 ккЗ и дрейф напряжения нулевого уровня менее 0.0! ххх, . .. времени установления 1 1: прообоазсватели напряжения в ток и напряжения в сопротивление с основной относительной погрепностьа менее 0.01 У.: блок вывода информации на термопечатав^ез устройство с гальванической' развязкой к потребляемой коцностьи в единицы микроватт; устройство зааиты г'ллноольтметров от перегрузки входным сигналом, в частности, сетевым язппяяеннгм 220 В. К особенностям функциональных устройств, применяемых в серийно выпускаемых приборах, относятся малые - в единицы микроампер - токи питания от автономного источника напряяения (3 - I) В.

12. Разработаны новые структуры построения многофункциональных АЦП иптегрируоаего типа, выполнлкхнх вычислительные операции (умножение, делание, возведение в степень, пзвлзчениз корня, вычисление стсппнннх полиномов, запоминание экстремумов и т.:..) в процессе кодирования входного сигнала при минимальном энергопотреблении. Установлено, что соомецение аддитивной чорвекции и изменением крутизна преобразования. вилолняекск з шаровой Фор из. позволяет значительно - ст 2 до 10 раз - позысить точность ник-роновдзх приборов с нелине":ш.агрзичннии кзиерительника проса-разоватеданн, з частности, цифровая теомояотров и изиеоителей влажности зерстн. Раси:1рекпз ¿ункционалыпе:: воскояностей. с той чхеля цифр о гая кисо,шо-л:шеГшзп аппроксимация характеристик пре-обрезователчр. нозлоктзичзскях взлз'пм в частстц иля п интервал» всскз.т,!, обоспгшпзгтся при тока;: ппания цкфзовсй нз::боэоз. са-алнзойлнн.ой на КПДП логически:.' элементах. от 20 50 нкА,

¡1. Создан1,.: и ппедрен:; в серпй^:.^ ::роиг^идст^и ио1;татг"ни;: микре. «цН^е циррозно пр-.гЗоры: ¡',зн!.;г.*гель постоянного напряпг-гг; и тока 1100003: гпеццадйзвровзшшо прибора типов ИР3о32 и ЦР5833: игхеригель яозяоете лазерного излучения для нехищшеюх у елей НРбоОЗ; измеритель относительной влаяиости зерсти т;:па А В 6 3 0 С

По сочетания основных тзхнпческих характеристик (точности, разрешающей способности, потребляемой дойности) указанные приборы превосходят лучике отечественные портативные ЦПУ с автономным питанием на 2 -4 порядка, а зарубекные чРразцы - з 20 - 100 раз.

За создание микроаааних портативных приборов автор настоящей работы был награжден двумя серебрянными медалями ВДНХ.

На основании ¡¡сложенного но г.но считать, что цель диссертации достигнута и поставленная задачи' реивнм. '

СПИСОК РАБОТ, ОПЗБЯККОВАНШ ПО ТЕЙЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Загорский Я.Т., Иванов Б.Р. Микромощние электронные измерй ' тельные устройства. -V.'. Знергоатомиздат, 1993. - 320 с.

2. Синтезаторы функций на основе функциональных преобразователе) во временной ш ;рвал и частоту / В.Д.Циделко. В.И.Кузнецов, Б.Р.Иванов. В.Й.Тесленко // Структурные метода повышения точности измерительных устройств и систем: Тез. докл. республ. науч.-техн. коиф., - Киев. 1972. - С.. 137 - 17,...

3. Интегрирующие цифровые вольтметры с коррекцией ..огреиностей / В.Д.Циделко, В.А.Тесленко, Б.Р,Иванов//Таи ке.- С. 158 - 161.

4. Аналого-цифровой преобрази..атель экстремальных значений сигнала с коррекцией погрешности / В.Д. Циделко, Б.Р. Иванов. В.й.Тесленко // Так ке. - С. 13 - 14.

5. Циделко В.Д., Иванов Б.Р. Цифровой прибор для измерения отнесения двух напряжений и процентного отключения от номинального значения // Вестник Киевского политехнического института. Серия автоматики 9. злектрсприборостроения: Науч. тр./КиеЕСК. политехи, йк-т. - Киев, 1372. И 9. - С. 174 - 177.

6. Иванов Б.Р., Циделко В.Л. Классификация и анализ устройств для определения экстремальных значений г -'I '«.ориационно-изме-рительных систеиах // Повыяекке точйсти. чувствительности, быстродействия к функциональных возкоеностой контрольно-измерительных устройств и систем: Тез. докл. республ. нгччн.-тех;;. семинара 20 - 22 апр. 1972 г. - Киев. 1972. - С. 14 - 15.

7. Циделко В.Д.. Исаков Б.Р. Быстродействув^ий МП максимальных значений аиплитуднс-иодулированного сигнала: Тез. докл. республик. науч.-техн.-семинара "Новые ^электронные приборы", окт. 1972. - Киев. 1972. - С. 36 - 37.'"

В. (1н -из принципов построения одного класса преобразователей функций двух переменных / В.Д.Циделко. ВЛ1.Кузнецов. Б.Р.Иванов. Н.Ф.Соломнн-Остриченко // Коммутационно - йодуляциошше методы и системы для получения измерительной информации о технологических процессах: Тез. докл. Ш ресодбл. науч.-техн. конФ. - Киев. 1973. - С. 18 - 19.

3. Иванов Б.Р. Регулируемый Фазоуказатель//Вестник Киевского политехнического института. Серия автоматики и злектроприборо-<> строения: Науч. тр./Киевск. политехи, ин-т.- Киев, 1973, К 10.

- С. 159 - 162.

10. Р..с. Н 407337 СССР, ИКИ 506Е. 7/20. Устройство для извлечения квадратного корня/3.Д.Цнделко. В.И.Кцзк- нов. Б.Р.Иванов.

" 17593П7/18; Заявл. 17.03.72. Опубл. 21.11.73. Нл.К 40.-2с.

11. А.с. '! 402823 СССР. НКИ £01Р, 25/00. Быстродействив-дее фазо-сдвигаюцее устройство / С.Р. Иванов, Б.Д. Циделко. -

11 1739705/18; Заявл. 27,10.72 . Опубл. 19.10.73. Бюл.Я 42.-2с.

12. к.с. !! 437372 ПССР, НИИ Г,01!?. 13/00. Устройство для получения пилообразного напряжения / Б.Р. Иванов, 3.Д.Циделко. -!{ 1783604/10; Заявл. 12.05.72. Опубл. 30.07 .74. Г..л.!1 23.-Зс.

13. А.с. Н 423040 СССР. ЯКИ 601Я. 25/00. Цифровой корреляционный Фазометр / В.Д. Циделко, Е.И.Кузнецов, 5.Р.Иванов. -

N 1771951/15; Заявл. 02.04.72. Ог.убл. 05.04.74. Был.Н 13.-4с.

14. А.с. I! 423146 ГГСР. МКИ £002, 3/00. Устройство для' извлечения корня / О.Л. Циделко, В.Н. Кузнецов, 5.Р. Иванов -

!1 1783085/18; Заапл. 12.05.72. Сг.убл. 05.04.74. Езл.й 13.-Зс.

15. Й.е. И 413912 СССР. ККИ Е01Н. 7/25. Функциональный преобразователь / В.Д. Циделко, В.И. Кузнецов. Б.Р. Иванов. -

И 1770591/10: Заявл. 07.04.72. Опубл. 15.03.74. Бюл.К 10.-4с. .16. й.с. Н 441573 СССР. НКИ £06С. 19/25. Функциональный преобразователь/В. Д. Циделко. В.И. Кузнецов, 5.Р. Иванов, В.А. Тес-ленко.- Н 1334885/18-24: Заявл. 03,10.72. Опубл. 30.00.74. Бюл, !1 32, - 3 с.

17. й.с. Н 436231 СССР. ИКИ СО 11?. 1Э/26. Функциональный измерительный частотный преобразователь / В.Д. Циделко, В.И.Кузнецов, Б.Г. Иванов. - Я 1782032/18-10: Заявл. 10.05.72. Опубл. 15.07.74. Бюл. Н 26. - 5 е.-

18. Я.с. N 42Я290 СССР. НКИ С01Р. 19/04. Устройство для измерения размаха амплитуды непериодического напряжения / Й.Н.Гур-5ий. Б.Р.Иванов. - Н 1735921/18-10: Заявл. 11.01.72. Опубл. 15.05,74. Бвл. Н 18. - 2 с.

19. Иванов Б.Р.. Тесленко В.й. Устройство для определения экстремума // Востник Киевского политехнического института. Серия автоматики и электроприборостроеиия: Науч. тр./Киевск. политехи, ин-т.- Киев. 1974, 1! П. - С. 99 - 101.

20. й.с, ¡1 427288 СССР. НИИ 19/04. Устройство для измерения перепадов амплитуды переменного напряжения /Б.Р. Иванов, 3.Д.Циделко. Й.Н.Гуркий, - И 174о0Г>5/1Б-10: Заявл. 14.01.74.

о

Спубл. 05,05.7-1. Бил. !! 1?. -2 с.

21. П.с. N 447523 СССР. МКИ G01Н. 13/02. Способ изменения действующего значения наполнения иниранизкой частоты/В.Д.Цидолко,

B.К.Кузнецов. Б.Р.Иванов.- N 1769342/10-10: Заявл. 07.04.72. Опнйл. 25.!0.74. Бил. !1 3S. -2с.'

22. A.c. 450230 СССР, КИМ S01P. !S/04. Экстршуи - детектор /

C.Р.Иванов. В.Д.Цидслко. - Н 1902288/18-10: Заявл. 28.04.73. Опубл. 20.04.75. Пил. N 15. - 3 с,

23. Г;.с. N 4R4S39 СССР. !;Ki! КОЗК. 23/17. Функциональный кодпруа-

нряобрлзпватель / В.Д.Нидолкя, Б.й.Тесленко. 5.Р.Иванов. S.li. К^кецоь. - Я 1S08113/25-21: 3:. зл, 02.04.73. Опубл. !П.0п.?5. Г.зл. М 34. - 4 с.

24. п.с. !! 43S56Ü СССР. jfiffi G05:.. 13/17. Устройство для вкполне-явя вычислительны:: опосзцнй /В.2. Циделко. S.P. Иванов. I.A. Тб&лёкко, S.2. Кузнецов. - N 1В34880/18-24; Заявл.

03.10.72. Опубл. 25.12.75. 5м. \\ 4?. - 5 с.

25. Изансв Б.Р, Применение аддитивной коррекции для расяирения частотного диапазона экстремцм-детектог-в //Структурные способы посниениа точности. чувствительности и быстродействия измерительных устройств: Тез. докл. II республ. науч.-техн. конф. - Уиаиь, 1975. Вып. 1. - С. G9.

2Б. Иванов о.Р. С поверке быстродействующих определителей экстремума периодического сигнала//3леаеиты 'и системы автоматического управления: Науч. тр./Томский политехи, нн-т.-Томск. 1375. - С. 30 - 42.

27. Иванов Б.Р. От ..мизация параметров определителей экстремума с численник дифференцированием // Там ае. ~ С. 43-49,

28. Иванов Б.Р., Федорепг.о В.И., Байгулов П.А. Измеритель среднего значения электрических сигналов // Электромеханические системы и устройства автоматического управления: Науч. тр./ Томский госуд. ун-т. - Томск. 1977. - С. S4 - 09.

29. Циделко В.Д., Иванов 5.Р. Принципы построения определителей экстремума сигнала // Измерения, контроль, автомати- 1ция / ЦККИТЗН приборостроения, 1977. К 1. - С. 16 - 31.

30. Циделко В.Д.. Иванов Б.?. Принцигч построения аналого-цифровых определителей экстрему»"! // Измерения, контроль, автона-тя^ция /ЦНИйТЗИ примрострос-'м, 1977. Я 3. - Г.. 21 - 23.

31. A.c. II 620S02 СССР; Ш GölR, J3/04. Способ измерения аиплн-

тддн иипдльсов /Б.Р.Иванов, ЙЛ^Фвйеренко. • fl 23<5£20?/53-2S; Эаявл. 0t.05.P0. Опнбд. ,?S.08.?S. Бел. .4 31. - 2 с. Вотяков' Б.Ф.. Миляев i.B.. Иванов 5.Р. Изк-ритвль отноиониа

; зквлкт&а згмлчл^соз //Вопроси злучзсзгая техлкче-чих параметров универсальных злег'роизмерктсльних приборов; Тоз. докл, !'.' Всесоюзной науч.-техн. конф,- Житомир. 1975. - С. 90.

33. '.'замов Б.Р., Зедоргнко Й.Я. Повышение точности измерения амплитуды ¡'.кпудьсоЕ слитой формы // Там же. - С. 151 - 153,

34. ".с. Я 737В?! СССР, НКН G01R. 27/02. Измеритель пассивных параметров электрических целгй/ Б.Р.Иванов, Е ''..Федорекчо, Р..Я. Байгулов. - S 2475857/18-25: Заявл, 18.04.78. Опубл. 30.05.80. Вкл. N 20. - А г..

35. Иванов S.P., Циделко В.Л.. Принципы построения васокоточн.а аналоговых ди£.$еренциаторог V Измерения, контроль, автоматизация /ЦИИИТЗИ приборостроения. 1984, Н 2. - С. 33 - 49.

36. Иванов Б.Р., Цибуленко К.И. Особенности применения микр^коа-кых усилителей в интегрлруюце.ч преобразователе с автономные' питанием // Полупроводниковая электроника в технике связи: Сб. ст. / Под ред. И.О. Николаевского. - И.: Радио и связь,

' 13С4, Вып. 24. - С. 130 - 137.

37. А.с. К 5035555 СССР. !!!'.!! GQ1R. 27/30. Импульсное внхретоко-зое устройство / Б.й. Добнер, Б.Р. Иванов, БЛ1. Эгай -

N 3542123/25; Заавл. 12.0Г.83. Опубл. 7.06.34. Бил.Н 21.- Зс.

38. Ягай Б.Н., Добнер Б.ft., Иванов Б.Р. Прибор контроля качества паек лобовых соединений обмоток статора генераторов// Информационней листок о науч.-техн. достижении Н 85-19, Ц0СНТЙ: Информзнврго. - Ставрополь, 1935.-- 4 с.

;39. Принципы построения экономичных цифосзих вольтметров / В.Н. Ефанов. Я.Т. Загорский. 5.Р. Иванов, Й.И. Цибуленко/> Вопроси теири!. и проектирования электронных вольтиетрсв и ■ средств йх поверки: Тез. докл. республ. науч.-техн. кпнф. 17-18 сент. 1305 г. - Таллинн, 1905. - С. 3? - 3*).

40. Цифровой м-щсмвзщиЗ ттащЕГуау.'.Я всльтзге."р / В.Й.Ефзнсз,

^ З.Т.Зггоргхнй, Ь.Р.Илаясг, Ц.ПЛ^ЙуденкоЛТам sc.- С. 33-34. Цивузгиаэ' !!.И„, ¿згэуск::2 З.Т.. Игзысв S.P. !:ршадя« енкае-• з: :з аэтргЗлзскэа ¿годности «адресах язмрнтбдьнвх приболев // tTj>i;KTt;ps;:i. метена п^игзмлл топпоп«, чувепштельт^-и ч З^раде&гтвая пулзроь? Тоз. дохл.

науч.-техн. конф.. ,?итомир. 1985. Вып. С. 28 - 29.

42. Цнбуленкс !!.!!., Еоаноз 5.V... Иванов Б.Р. Йддити1.!зя коррекция погрешностей в иикраиоинок цифровом вольтметре// Там Ее.

-С г - О

43. П.с. Я «.303930 СССР, МКИ С01Э. 5/00. Устройство для измерения энергетических параметров лазерного излучения/ К.Й.Цнбд-ленко, Я.Т. Загорский. Б.Р. Иванов, fl.fi, Кузнецов. -

!! 3599430/24: Заявл. 23.05.85. Опубл. 15.12.8?. Бюл.Я 48.-6с.

44. Ефанов В.Й., Иванов С.Р., Карабак 13.3. Оценка надехности эле"онгов интегрирусыих преобразователей с иалой потребляемой мощностью // йн'гггрируюцио часигные вреня-иипульсныэ преобразователи и цифровые средства измерения на их основе: Тез. докл. зонального секин,, Пенза, 198?. - С. 84 - 88.

45. Ефанов Б.!!.. Иванов Б.Р. Особенности применения весовых Функций в цифровом вольтметре с автономии« питанием // Там яе,-С. 40-42,

46. Иванов Б.Р. Интегркруизде время-иипульснне преобразователи с налой потребляемой мощностью // Там же. - С. 80 - 82.

4?. й.с. Н 1411829 СССР. К!:И НОЗК. 3/02?. Генератор прямоугольных инпульсоЕ/ Б.Р.Йплнсв, Н.И.Цибуленко. - N4159420/24-21: Заявл/ 10.12.861 Опубл. 23.0?;В8.' Бвл. »2?. - 4 с.

46. й.с. Я 1432737 СССР, ИКЙ ЙОЗК. 3/204. йультивибратор / Б.Р.Иванов, И.В.Сорокин. - К 4159413/24-21: Заявл. 22.06.89, Опубл. 23.10.88. Бал. N39.-3 с.

.9, й.с. Н 1473070 СССР, ИОЗК. 3/03. Генератор импульсов / Б.Р.Иванов, 1!.В.Сорокин. - N 4295795/24-21: Заявл. 24.08.87, Опубл. 15.04183, Бюл. N 14. - 3 с,

50. Загорский ЯЛ., йванвп Б.Р*. Макаров ^.С., Цыбцленко Й.М. Ивкроиоанай цифровой измеритель достоянного напряжениям тока// Радиотехника. 1ЭД9. Й 10. - С. 89 - 91.

51, Иванов Б.Р. Микроиоадкй интегрируклеий преобразователи напряжения в интервал времени // Радиотехника, 19Й9, й 1!. -С. 1С4 - 1С?.

5'т.аксЕ Б.Р., ЦкСуленко К.И. ^икрококнь'й источник опорных напряжений // Радиьтвхйика. 1989. 3 <2. -'и. 93 - 93.

55, Ивйнсб Б.Р. Фотоэлектрический цифроьей преобразователь ул конурок параметров волоконно - оптических линий связи // Зйбкбнтк н узлы севрйманной привиао-асклктельвой аппаратуры:

Тез. докл. респ. начч.-техн. кош}. - И.: 1930. - С. 53 - 55.

54. Иванов'Б.Р., Макаров i.e. Никроиоячие' интегрирувЕие АЦП с автономным питанием // Там хя. - f, 35 - 56,

55. Ефанов В.К.. Иванов Б.Р. Ййкро«ог;чие генераторы импульсов // Тан se. - С. 55 - 57.

5В'. Макаров Й.С.. Иванов Б.Р., Ць^уленко Н.И. Помехоустойчивой измерение параметров никроксадих усилителей // Тая ке. -С; 50 - 5L.

57. Иванов Б.Р., Макаров А.С. Особенности измерения динамических параметров микрохоинмх компараТороз // Тан re. - С. 48-30.

58. lyanov B.R,. Tsvbulenko ЯЛ. ft Kicropoirer Reference Voltage Sourcez/Telecoimnications and Radio Engineer1пг. - Uol. 45, 1330, H i. - C. 145 - 147.

59. Иванов Б.P. Цифровой измеритель мощности оптического излучения UP0805 //Приборы и системы управления, 1991«. К И,-С. 45 - 47.

50, Иванов ?.Р. Влагомер мытой аерсти Й85800//Таа зе.-С. 45 - о.

61. Иванов Б.Р. Цифровой измеритель мощности оптического излучения для диагностичес :х систем // Опгнко-Физаческие метода неразрамавцего контроля и технической диагностики в машиностроении и приборостроении: Тез, докл. Всесоюз. науч.-техн. сгиин. К.: 1331. - С. 52 - 53,

$2. Загорский Я.Т.. йзаноа б.Р.. Гранин Е.И. Средство измерений средней мокноста и знергии лазерного излучения типа 1Ш0-3 // Так за. - С. 36 - 57.

S3. Загорский Я.Т., Иванов Б.Р., ^Конобеез В.М.. 1арихин З.Ф. Средство измерений средней мощности лазерного излучения типа ИЙ0-4 // Так is. - С. 58 - 59.

04. fl.с. Н 1746514 СССР, Ш нозк, 3/03. Генератор вкпчльсов / Б.Р.Иванов.- Я «344150/2!: Зазвл. 23.08,30, Опубл. 07.07.32. Згл. Й 25, - 5 с. -

W. ft.с».Я 1765732 СССР. Ш Sfl8. 31/23. Зстрейгтзо для комт-з-ля гмнгиическ^' Е??аазтрсз кекпаратеэоз / 5.Р, Иванов. -

к тгпти unt, s.»?.sc. 5пзв\ зз.оз.з2. б»я.я зз.~ в?.