Содержание к диссертации
Введение
1. СТРУКТУРНЫЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЙ ТОЧНОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛОГОВЫХ КОММУТАТОРОВ И КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ 13
1.1. Исследование нелинейной статической модели микроэлектронных аналоговых коммутирующих устройств 15
1.2. Оценки статической и динамической составляющих перекрестной помехи в многоканальном аналоговом коммутаторе 40
1.3. Анализ и разработка оптимальных структур устройств сопряжения и управления аналоговым коммутатором 54
Выводы 64
2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИНФРАНИЗКО-ПОРОГОВЫХ
КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ГЕРКОНАХ 66
2.1. Исследование факторов, ограничивающих порог чувствительности герконовых реле 67
2.2. Анализ тепловых характеристик выносной конструкции герконового реле 83
2.3. Оптимизация выносной конструкции инфранизко-порогового реле по уровню остаточной термо- э.д.с 102
Выводы 118
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХАЗАЩИЩЕННЫХ СТРУКТУР МИКРО-ЭЛЕКГРОННЫХ И ГЕРКОНОВЫХ КОММУТАТОРОВ 119
3.1. Исследование подавления динамического шума в герконовом коммутаторе методом весового усреднения 120
3.2. Повышение защищенности микроэлектронных коммутаторов от помех общего вида 134
Выводы 155
4. ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АНАЛОГОВЫХ КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ 156
4.1. Использование результатов исследований при разработке серийной аппаратуры в ЛШ 156
4.2. Использование результатов исследований в разработках других организаций 172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 181
Приложение I. Блок-схема программы для вычисления многочленов Лежандра и значения аппроксимирующей функции 195
Приложение 2. Обоснование соотношения (2.49). 206
Приложение 3. Справка об использовании результатов исследований диссертации в серийных разработках и документы о внедрениях 208
- Исследование нелинейной статической модели микроэлектронных аналоговых коммутирующих устройств
- Исследование факторов, ограничивающих порог чувствительности герконовых реле
- Исследование подавления динамического шума в герконовом коммутаторе методом весового усреднения
- Использование результатов исследований при разработке серийной аппаратуры в ЛШ
Введение к работе
Одной из главных задач современного этапа совершенствования производства является значительное повышение качества всех видов выпускаемой продукции. Для оценки качества любого изделия необходима достоверная информация о его различных характеристиках, которые могут и должны быть измерены. Основу любых измерений составляют средства измерения. От развития приборостроительной отрасли в значительной мере зависит решение широкого круга задач по ускорению технического прогресса, переводу экономики на интенсивный путь развития, более рациональному использованию всех видов ресурсов. В принятых ХХУІ съездом КПСС „Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предполагается и...увеличить производство приборов, оборудования, средств автоматизации...". Приборы для измерения комплекса характеристик входят как звенья в информационно-измерительные и автоматизированные системы управления технологическими процессами. Измерительные комплексы должны работать в сложных условиях при повышенном уровне помех. Исследование, разработка и серийное производство таких систем и их узлов имеют важное народнохозяйственное значение.
Неотъемлемым узлом современных информационно-измерительных систем являются многоканальные аналоговые коммутаторы или, как их принято называть в иностранной литературе, аналоговые мультиплексоры. Интерес к МАК обусловлен тем, что, используя метод временного разделения первичной информации, поступающей по многим каналам, мультиплексоры позволяют без суще- ственного ухудшения метрологических характеристик всего измерительного тракта многократно и с максимальной эффективностью использовать самые ответственные и сложные узлы ИИС (масштабирующие усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, устройства выборки и хранения). При этом снижаются аппаратурные затраты, габариты и потребляемая мощность. По выполняемой функции МАК относятся к преобразователям формы информации из пространственного представления в селектированную во времени, либо осуществляющего операцию обратного преобразования. Как преобразователь информации, аналоговый коммутатор во многом определяет основные параметры измерительной системы: точность, быстродействие, чувствительность и помехозащищенность.
Непосредственно подключение входного сигнала осуществляет коммутирующее устройство, проводимость которого скачком изменяется при управляющем воздействии. Как основные и вспомогательные элементы, аналоговые ключи входят в состав аналоговых интегральных схем различного функционального назначения. Постоянное расширение областей их применения вызывает наращивание объемов выпуска и увеличение номенклатуры. Достаточно сказать, что в настоящее время практически все ведущие фирмы капиталистических стран и отечественные предприятия, занимающиеся выпуском продукции для обработки аналоговых сигналов, используют и изготавливают аналоговые ключи и коммутаторы. Удельный объем, занимаемый ключевыми элементами в электронной аппаратуре, составляет от Ю до 10%, От качества КУ в значительной степени зависит совершенствование характеристик в первую очередь многоканальных модулей сбора аналоговой информации и системных высокочувствительных многофункциональных
ЦИП. При выборе КУ с необходимой совокупностью ключевых параметров должны учитываться метрологические требования на всю измерительную систему. Разнообразие подходов при оценке КУ и МАК отражено в классификациях, иллюстрирующих хронологию развития техники аналоговой коммутации и выбор соответствующих каждому этапу основных классификационных признаков.
В первых фундаментальных работах советских ученых Х.М.Агаханяна [I] , К.Б.Карандеева [95] , В.Н.Михайловского и А.Н.Свенсона [71] , посвященных аналоговым ключам и коммутаторам, рассматривались классификации, основанные на конструктивных (аппаратных и схемных) и на функциональных (по области применения и типам КУ) свойствах коммутирующих устройств. Значительное место в них уделялось схемным реализациям коммутаторов на перспективных для своего времени нелинейных КУ - дампах, газотронах, фотосопротивлениях, полупроводниковых диодах, транзисторах и исследованию их погрешностей.
Дальнейшее развитие анализа погрешностей МАЕ основывалось на органических признаках, дифференцирующих аналоговые ключи по структурным отличиям, нашедшим отражение в работах В.И.Анисимова [7, с.179-220] , В.Ф.Арховского [8] , Я.Будин-ского [16, с.10-95] , Б.А.Калинчука [57, с.5-60] . В трудах коллектива авторов под руководством В.Б.Смолова [69, с.14-68; 78, с.50-75; 85, C.I00-I79J детально изучались погрешности многоступенчатых структур коммутаторов, оценивались их динамические свойства и предлагались обобщенные критерии оценки качества КУ.
Современные тенденции оценки МАК отражены в классификациях, которые базируются на признаках, определяющих информационные параметры коммутатора, точность, частотный и динамиче- ский диапазоны сигналов, быстродействие и число каналов, С таких позиций впервые в работе Я.Е.Беленького [59] рассмотрены предельные возможности МАК и получено соотношение неопределенности, устанавливающее связь между погрешностью, быстродействием и числом каналов коммутатора. Там же рассмотрены вопросы информационного согласования коммутатора с параметрами сигнала.
Вместе с тем, практические результаты при комплексном улучшении метрологических характеристик МАК не полностью отвечают требованиям и возможностям сегодняшнего дня. В основном это объясняется противоречивостью требований к совокупности основных метрологических характеристик, которые не удается обеспечить в универсальном КУ. Стремления улучшить эти характеристики ставит на повестку дня изучение моделей КУ и МАК. Новые результаты в этой области появляются и сейчас. В работе А.И.Кондалева [60, с.13-90] для анализа многоканального устройства преобразования информации использован способ описания с помощью обобщенных операторов. Оператор подключения осуществляет в каждый момент времени функцию выбора и передачи по каналу связи из множества сигналов только одного заданного. Временной режим работы и выбор нужного сигнала осуществляется оператором управления. Недостаток абстрактного уровня описания в том, что он не позволяет учесть принцип действия КУ и конкретизировать взаимосвязь отдельных узлов МАК. Наиболее рациональный подход к комплексной оценке и изучению метрологических возможностей коммутатора базируется на анализе передаточных функций, которые определяются аналитически на основе характеристик применяемых КУ [85, с. 100-142] . Он применим к тем направлениям улучшения характеристик коммутаторов, на которых концентрируются основные усилия разработчиков: создание более совершенных КУ и структурное улучшение результирующих характеристик существующих КУ.
Первый путь предпочтителен при создании высокочувствительных КУ для переключения сигналов нано- и микровольтового уровня. Как показано в работе, наиболее перспективными переключателями для этого диапазона являются реле на основе герконов иязычкового" типа. Контактный металлический переход, высокое сопротивление изоляции и заполнение баллона контролируемой атмосферой восстановительного типа позволяет приблизить статические ключевые параметры геркона к идеальным. Обеспечить инфранизкий порог чувствительности (І...Ю нВ) удается в конструкциях реле, в которых приняты специальные меры для снижения уровня статического и динамического шума герконов. Препятствиями, которые ограничивают области применения контактных КУ, являются: сравнительно низкое максимальное быстродействие (порядка единиц мс) и ограниченный срок службы (І0.,.І0 срабатываний). Указанных недостатков лишены бесконтактные КУ. На их основе создаются аналоговые коммутаторы, время опроса каналов в которых может изменяться в широких пределах от статического режима до десятков наносекунд. Современные линейные интегральные микросхемы, выполненные преимущественно по МДП или КМДП технологии, представляют собой сложные (с числом элементов в десятки и сотни) и быстродействующие субблоки МАК, которые позволяют решать широкий круг задач коммутационной техники. Однако постоянное ужесточение требований к метрологическим характеристикам коммутаторов заставляет ис- следовать такие источники погрешностей, сведения о которых отсутствуют среди нормируемых на серийные элементы. К их числу относятся: сведения о нелинейности коэффициента передачи КУ, о коэффициенте подавления перекрестной помехи, о величине сопротивления изоляции между управляющей и сигнальной цепью. Влияние перечисленных параметров на конечную погрешность находится в сильной зависимости от выбранной структуры МАК. Поэтому второй путь комплексного улучшения и оценки метрологических возможностей МАК в наибольшей степени связан с математическим анализом передаточных функций адекватных физических моделей исследуемых узлов коммутатора*
Именно этому пути определения характерных погрешностей микроэдектронных КУ и МАК посвящена первая глава. Сопоставление статических моделей аналоговых ключей на основе МДП и КМДП-структур показало необходимость интегрального оценивания погрешности нелинейности. Предложены процедуры экспериментального и аналитического определения этой погрешности и рекомендованы способы линеаризации передаточной характеристики КУ. Из анализа модели МАК найдены статические и динамические составляющие перекрестной помвхн и определено их влияние на общую погрешность коммутатора.
Следующим шагом в развитии метода исследования погрешностей с помощью передаточных функций является анализ модели низкопорогового реле на герконе, приведенный во второй главе. Для синтезированной тепловой модели реле получено общее решение нестационарной пространственной картины температурного пода, создаваемого теплом, выделяющимся в катушке управления реле* Исследована эквивалентная магнитная цепь управления герконом и получено совместное тепломагнитное уравнение для ста- ционарного процесса. Оптимизация решения подученного уравнения позволила указать направления уменьшения остаточной тер-мо-э.д.с. на сигнальных выводах включенного реле.
Исследованию способов подавления внутренних и внешних помех в гарконовых и микроэлектронных МАК посвящена третья глава. Показано, что применение оптимальных по длительности интервала усреднения кусочно-постоянных весовых функций позволяет существенно повысить быстродействие при заданном уровне подавления динамического шума в коммутаторе, использующем реле на герконах. На основе изучения модели МАК, включающей в себя линии связи и выходные сопротивления с гальванически изолированными первичными датчиками, найдены основные составляющие помехи, действующие на входе измерительной системы с коммутатором. Предложены способы оценки суммарной внешней помехи и пути ослабления ее влияния на конечную погрешность измерения*
Работа выполнена в соответствии с координационным планом по проблеме „Теория и принципы построения и методы расчета элементов и устройств информационно-измерительных систем11, утвержденным приказом Минвуза СССР to 1309 от 30.12.1982 года, в котором по п.4.7 за Львовским политехническим институтом закреплена тематика по созданию многоканальных коммутаторов аналоговых сигналов.
Целью работы является развитие методов исследования и разработки инфранизкопороговых коммутирующих устройств на оонове герконов для входных устройств многофункциональных цифровых измерительных приборов. Разработка способов оценки и снижения погрешностей нелинейности и от воздействия межканальной перекрестной помехи в микроэлектронных коммутаторах. Разработка пу- тей повышения помехозащищенности герконовых и микроэлектронных коммутаторов.
Основными задачами, решаемыми в работе, являются:
Исследование и разработка структурных средств повышения статической точности микроэлектронных КУ путем линеаризации их передаточных характеристик и улучшения защищенности МАК от статической и динамической составляющих перекрестной помехи (глава I).
Разработка принципов построения высокочувствительных герконовых КУ на основе зависимости между варьируемыми конструктивными параметрами и предельно достижимыми уровнями остаточной термо-э.д.с. на сигнальных выводах включенного КУ; параметрического и компенсационного способов уменьшения остаточной термо-э.д.с. (глава 2).
Исследование соотношений между быстродействием, помехозащищенностью и точностью при подавлении динамического шума в высокочувствительных МАК (глава 3).
Развитие методов оценки защищенности МАК от воздействия внешних помех и разработка способов снижения влияниях этих помех на измерительные системы с входным коммутатором (глава 3).
Исследование нелинейной статической модели микроэлектронных аналоговых коммутирующих устройств
К настоящему времени аналоговые КУ и МАК на основе полевых МДП и КМДП транзисторов занимают по совокупности ключевых параметров основополагающее место среди всех типов бесконтактных ключей. Перспективность их применения для прецизионной коммутации аналоговых сигналов видна из анализа параметров полупроводниковых КУ в сравнении с характеристиками идеального КУ. в табл. Ы сведены полученные экспериментально и по справочным материалам типовые значения характеристик ключей, которые применяются в современной коммутационной технике [10; 50; 59, оЛЗ-72; 68;73] . Существенным недостатком всех сравниваемых КУ является зависимость сопротивления замкнутого ключа от значений коммутируемого сигнала, которая, в конечном итоге, интерпретируется как погрешность нелинейности коэффициента передачи выбранного канала коммутатора В наибольшей степени эта погрешность присуща самому обширному классу ключей на МДП-структурах, что и вынуждает исследовать ее более детально [69, с.53-56] .
Погрешность нелинейности наиболее ощутима при коммутации переменных сигналов, что особенно часто встречается при прецизионных измерениях спектральных характеристик различных объектов [94] . в таких случаях она является доминантой нелинейных искажений коммутируемого сигнала. Отметим, что общепринятые точечные оценки погрешности нелинейности отражают исследуемый процесс лишь количественно, оставляя в стороне его качественную картину [59, с.И; 69, с.67; 94] . Такое положение нельзя признать удовлетворительным, так как на основании точечной оценки погрешности нелинейности нельзя объективно оравнивать различные КУ по уровню вносимых нелинейных искажений.
Несовершенство точечной оценки побуждает использовать такие способы определения погрешности нелинейности КУ, которые, во-первых, могут быть положены в основу экспериментального метода исследования и сравнения различных ключей, а во-вторых, укажут пути уменьшения и коррекции этой погрешности.
class2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИНФРАНИЗКО-ПОРОГОВЫХ
КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ГЕРКОНАХ class2
Исследование факторов, ограничивающих порог чувствительности герконовых реле
Достигнутый современными ЦИП, такими как: ТЕ925, фирма пТекелек Айртроникс" (Франция); 180, фирма пКейтли" (США); TR6018 , фирма пТакеда Рикен" (Япония); высокочувствительный вставной блок, сопрягаемый с базовым блоком В&8000 (СССР) порог чувствительности в І...Ю нВ близок к предельному по критерию Найквиста [13; 80, с.164,168] . Это вынувдает изучать все более тонкие эффекты, порождающие возрастание теплового шума и дрейфа во входной измерительной цепи прибора. Цепь содержит контакты разнородных металлов, включающие сопротивление источника сигнала с подводящими проводами, переходное сопротивление КУ и эквивалентное входное шумовое сопротивление усилителя [12, с34-36; 98] . Характеризовать величину тепловых шумов входной цепи принято формулой Найквиста, которая оценивает полный размах шумовых колебаний как пятикратное среднеквадратичное значение шума, выраженное в вольтах при температуре окружающей среды 300 К [98] где R - активное сопротивление входной цепи; AF - эффективная частотная полоса пропускания измерительного тракта.
Из условия обеспечения компромисса между пороговой чувствительностью (І...Ю нВ), быстродействием (десятки-сотни ми-дисекунд) и защищенностью от помех общего вида (160...180 дБ) полоса пропускания нановольтметров выбирается равной (2,5...25)Гц [28; 92; 93, с.90-92] . Как следует из (2.1), при типичной AF=2,5ru, эквивалентное шумовое сопротивление входной цепи прибора с разрешающей способностью 10 нВ не должно превышать 100 Ом, а при достижении I нВ не может превышать величины і Ом. Если наложены ограничения на выходное сопротивление источника сигнала и приняты меры, препятствующие возникновению паразитных термо-э.д.с. во входной цепи [98,101] , то автоматическое переключение сигналов на предельной чувствительности возможно с помощью КУ, переходное сопротивление которых в замкнутом состоянии не будет превышать сотен миллиом. Микроэлектронные и дискретные полупроводниковые аналоговые ключи не используются из-за значительного превышения допустимого сопротивления во включенном состоянии RBK/,=10...J000M(TQ6JI.I.Z). Из современных КУ удовлетворительные характеристики имеют лишь контактные ключи, из которых необходимой совокупностью параметров обладают: герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) язычкового типа [36,44] ; герконы с ртутно-смачиваемыми контактами [105] ; мембранные герконы [81] ; пленочные электростатические реле.
Исследование подавления динамического шума в герконовом коммутаторе методом весового усреднения
В случаях многоканальных измерений низкоуровневых сигналов или измерений в условиях воздействия межканальной помехи, исключающей возможность применения микроэлектронных коммутаторов, применяются КУ на основе герконов.
В момент замыкания язычков герконового реле в сигнальной цепи возникает затухающий сигнал, называемый динамическим шумом геркона. Максимальные значения этого шума в начальный момент для различных типов измерительных герконов составляют десятые доли или единицы милливольт, а время затухания до микровольтовых уровней - десятки миллисекунд [45, с.27,34] . В главе 2 было показано, что статический режим работы герко-новых КУ в ЦИП допускает снятие точечного отсчета в момент времени, при котором амплитуда динамического шума КУ становится меньше пороговой чувствительности прибора. Отметим также, то из-за более широкой, чем у ЦИП, полосы пропускания устройств сопряжения и масштабирующих буферных усилителей, входящих в состав МАК, амплитуда динамических шумов, максимум энергии которых лежит в полосе (5...Ю)кГц, практически не ослабляется.
В условиях острого дефицита канального времени (Тк) в МАК актуальна задача сокращения мертвого времени, в течение которого погрешность передачи аналогового сигнала превышает допустимую. Эти обстоятельства вынуждают изыскивать способы уменьшения времени затухания динамического шума герконовых реле.
Одним из эффективных способов подавления широкополосной помехи, к которым относится динамический шум, является операция усреднения методом весовых функций. Примеры подавления аналогичной помехи встречаются в технике при взвешивании транспортных средств в движении или при взвешивании грузов в процессе транспортирования их подъемным краном [20].
Использование результатов исследований при разработке серийной аппаратуры в ЛШ
Результаты, полученные при исследовании путей повышения точностных и эксплуатационных характеристик микроэлектронных и герконовых КУ и коммутаторов использовались в ОКБ ЭИВТ при разработке 4 серийных цифровых мультиметров с автоматическим переключением пределов измерения и 3 многоканальных измерительных комплексов. Данные о них сведены в табл.4.1. Ниже приводится краткое описание особенностей этих приборов. Полные сведения имеются в технических описаниях, децимальные номера которых указаны в той же табжце. Степень участия автора указана в справке приложение 3.1.
Предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока, силы постоянного и переменного тока, сопротивления постоянному току и высокочастотного напряжения с выносным преобразователем аналог-аналог. Применяется при разработке, производстве и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры взамен стрелочных тестеров.
Отличительные характеристики прибора: автоматический выбор всех пределов измерения, возможность работы от встроенного автономного источника электроэнергии, высокая помехоустойчивость, малые габариты и масса.
Все технические данные прибора обеспечиваются в температурном диапазоне (-Ю...+50)С и относительной влажности воздуха до 95$ при температуре +30С. Дополнительная погрешность при изменении температуры на Юс не превышает половины предела основной допускаемой погрешности, составляющей при измерении постоянного напряжения.
