Введение к работе
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, МР3- 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 опто- электронным 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 оптоэлектронного цифро-аналогового преобразования (патент РФ на изобретение № 2459352: МПК H 03M 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: МПК H 03M 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 использование 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 «ALOX» 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».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
-
Новые принципы электронно-оптического кодирования ЦАП и АЦП;
-
Математические модели расчета расстояний между оптическими элементами конструкции ОЭЦАП и ОЭАЦП;
-
Алгоритмы, применяемые для автоматизированного проектирования оптических элементов ОЭЦАП и ОЭАЦП;
-
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.
Похожие диссертации на Подсистема автоматизированного проектирования оптических элементов оптоэлектронных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей
-
