Структурно-алгоритмические методы построения микромощных цифровых измерительных устройств Иванов, Борис Рудольфович

Введение к работе

Актуальность теми исследований. Структурно алгоритмические метода цяцчвения метрологических характеристик средств измерений (СИ) применяют для раси,рения 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 гвоіериалоемкости и энергопотребления СИ и. в ряде случаев, к сниненшэ надешности измерительных приборов и информационно-измерй1<ш>них систем (ИИС). Вследствие этого при создании мало-габари:них ЦИУ с аетононньн питанием используют только простей-вие структурно-алгоритмические методы,, в частности, автоматическую коррекции аддитивной составляющей погрешности, обеспечивая гре&уемяе технические параиетры портативных СИ за счет применения новик электронных компонентов и специализированных микросхем, т.е.'технологическим путем.

Технологические методы совершенствования СК наиболее эффек-.ивнм 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 разрзбативаемнх микросхем, но и с наличием технического противоречия нейду точность», быстродействием и потребляемой мощностью ЦИУ. Уиеньыение тс;ов питания от 100 до единиц микроампер и ішхе однозначно приводит к иряц~пропорцинадьноиу снижении верхней граничной частоты, увеличению нцыовых напряжений транзистор;:шх каскадов, повышении температурного коэффициента напряжения (ТКИ) чниттерних переходов б.Чііолярних тоанзисторов и. соответственно К ЦВЄЛИЧ8НИВ ЇЙМ-пеяагцрного дрейфе напряжения смещения и значений выходного сопротивления операционная усилителей (ОУ) и комп.зратопов при одно-врстнтш чненьвении быстродействия аналоговых микросхем. Пови-www Тпкторой чалоты роботи ЦИУ с цеяьп сниїєішя ГЛ"РЄЇН0С^Т,,І дискретности обцомвяюает пропорциональнее возрастание дина-smm*i;4s, _t моцност^ «отреблешія комнламенторныя ИДЯ логических

элементов. В итоги потреблаеиая мощность портативних зарубежш» и отечественных цифрових мультиыетров, работакц!'.;. при токах питания в единицы «ішшаклер, составляет десятки - сотни милливап при приведенной погревности преобразования .ст 0,05 до 0,5 X, і время непрерывной работы без сиены элементов питания с энергоемкостью от 0,5 до 1,5 нч не прсвииает десятков - сотен часов.

Противоречивость требовании по минимизации энергопотреблении и обеспечений высокой точности, быстродействия, разревавцсй способности и помехоустойчивости - ЦИУ обуславливает необходимосп pa- ;іаботкиновнх. материало- и энергосберегающих методов структурного построения измерительных приборов и систек, обеспечивающих, -их высокую точность и быстродействие при'использованкі низкочастотных функциональна узлов с токами питания, снижении:; на 2 - 3 порядка вплоть до единиц микроампер. Для достинениг високих петрологических характеристик автономних ЦИЗ необходима разработка нових алгоритмов рабс-ц, исключавких влияние инерционности кпкроноцни:; аналогових, элементов на точность преобразовании и обеспечивании требуемое подавление помех промысленной частоты без синхронизации с периодом сетевого напряжения.

3 области лазерной энергетической Фотометрии для создание вмеоконадежних _: портатизикх ерздетп измерений средней 'koshcctj: непреривного ц энергии импульсного лазерного излучения .трео'цетсї специалнзирсваннце высокочувствительное малогабаритные ЦИ.Э. способные работать в течение 1 - 2 лет без смени элементов питанм,

Использование разработанных в диссертации методов комплексного улучшения качественных показателей ЦИЗ .позволяет на 2 - -, порядка уменьшить энергетическую избыточность цифзоакх СИ параметров лазерного излучекиз. повисить надежность, и обеспечить портативность, автономность и экономичность аппаратура.

' Цедва диссертационной раСоты являє гся> решение научной проблемы - повышение точности, надежности и снижение ьлергогшт^з-ления цифрових измерительных устройств с частотна й ВрвКЛ-пК-лульсным преобразованием структурнр-аягеритйячзгки^а изгода*»

К задачам, реваемаа^: в диссертационной работа, otHOc:rчил ----мпздмх цифровых средств .измерений и создание на его осіве ;.;; йовмх методов построения высикоточной измердалінзй aimap.vt .:.-; с авте-йэмаа* ляганием; сравнительнмй. анализ адгоіН'Пії?, я ;>;-,

турш/х схен аналого-цифрового преобразования по энергопотреблении и метрологическим характеристикам для обоснованна перспективности использования адаптивних структур ЦТ*: разработка kov-бинчрованну способов автоматической коррекции погрешностей, обеспечивайцих в^сокув понехоустойчигость. разревавзд» способность и точность ЦИУ при кинииальном энергопотреблении: разработка схемотехники и исследоьание характеристик новнх цикро-копнкх функциональных цзлпб ЦПУ с модуляцией токоз питания; разработка ноїчх методов расчета параметров к методик настоойки микрамоцных Ц'ЛУ л л а серийниго производства аппаратной; исследование и аппроксимация зависимостей осниышх технических характеристик аналогових и цифровых кикросхем or токсе л напряжения питания с целыз их применений для расчета нмкроношшх функциональных у з / -J у портативных ЦНЬ" и ЇІЯС; оценка показателзй надежности электронных компонентов в области иикрореяима.

Основное полонення, зшюснмые на заииту

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

2. Повншенне помехоустойчивости ЦИУ с автономний питанием в 10 - 30 раз и разрешавшей способности на один - два порядка обеспечивается сочетанием предложенного метода адаптивного ннтегрирцвцего преобразования с методом ввеовзх Функций.

3. Уменьшение токов питания Функциональных узлов ЦПУ на-и - 3 порядка - вплоть до единиц микроампер - позволяет снизить в десятки - сотни оаз энергоемкость ЦИУ при одновременном пови-аении 0 5 - 10 раз ьаделшости и расширении на 10 - 20С диапазона рабочих температур за счет облегчения на 2 - 3 порядка

.температура-электрических нагрузок злектроннкх компонентов. І. Ь'яеньиешіе в 2 - 10 раз энергоемкости високоточних ЦИУ достигается использоиахчем нзтодов иктегрирувцего г.реобразоЕакия с автоматической коррекцией погрешностей в сочетании с нодуля-иией токов питания аналоговых функциональных цз;.ов по а,..зп-тиькіій алгоритмам в зависимости от урокия измеряемого енгніїа.

Научная новизна исследований

!. Предложен универсальный метод снижения энергопотребления Ції у. основанный на изменении крутизни аналого-цифрового преобразования ^ процессе кодирования исследуемого сигнала,

2. Установлена эмектиг.ность комбинированного применения методов адаптивного имтегрирук^го преобразования, весовых Функций и автоматический коррекции погреиностей для комплексного улучшения метрологических характеристик ЦИУ с as-тономшш питанием при сниженном на 2 - 3 порядка энергопотреблении.

3. Разг....'Зотани новые структури лостроеки'" и алгоритмы Функционирования микрокодах Ц!!У интсгрируюцего типа с комбинированной автоматической коррекцией систематических погрешностей, обес-печиваюцие высокув точность, разревакэди способность и помехоустойчивость преобразования при минимальных требованиях к быстродействии основних функциональных блоков ЦИУ.

4. Предлокен новий йєтод расчета никрилоцных интегрирующих преобразователей, основанный на взаимосвязи токов питания с динамическими характеристикам основних функциональных узлов

^_ ЦИУ. Получены выражения, аппроксимирующие зависимости параметров аналоговых и цифрових злектроних устройств от тока или напряжения питания, определены коэффициента пропорциональности цекдц динааическиии характеристиками и энергопотреблением микромоцной элементной бази.

л. Разработан ряд новых принципиальных схем функциональных узлов НИЗ - источников 'порнцх напряжений (ИОН), преобразователей напряжения в частоту или в интервалы времени, генераторов ин-пульсов, кооператоров, измерительных усилителей, блоков гальванической развязки'и т.д., икевцкх высокие технические пара-йвтры при токах питания, снихенных на 2 - 3 порядка вплоть до единиц микроампер, Предложенные схемные решения ыог"Т быть использованы в качестве базових гри создании серийнопригодных кйкрокоцных ЦЙУ различного функционального назначения. -

6. Предложен уточненный иетод расчета низковольтных ИОН на пря-космеценных зииттерных переходах биполярных транзисторов, применяеиых для получения стабильного ""апряхения С1,3-і,4) В

" в расширенной диапазоне рабочих температур при токах питапиа не более 20 ыкй. Предлоаена методика экспресс-настройки, ынк-

ромочних ЙОМ. обчспечиваюччя термостабильность опорного напряжения лучие 0.001 %/С в условиях серийного производства. 7. Получена выражения для расчета параметров надежности элекект-ной базы кикромощкых ШЧ. Установлено, что за счет умекьзения токов питания электронных компонентов до единиц микроампер и сиияения питающего напряжения ;.о (3 - 5) С обеспечивается 5 - 10-кратное улучшение надежности ЩЧ.

Практическая ценность п=>ботн

Внедрен метод комплексного улучиения петрологических характеристик ЦИУ на основе адаптивного многотактного интегрирующего преобразования с автоматической коррекцией погрешностей я использованием одноуровневых весовых Функций, на основе которого разработан ряд портативных, высокоточных и надезяах ЩІУ с авто-ионным питанием различного Функционального назначения.

Создан и внедрен в серийное производство цифровой измеритель постоянного напрявеиия и тока типа Ц58009. шевций потребляемая иоцность менее 1 мВт при р*"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.І для сродства измерений средней ноцности іі энергии лазерного излучения иаО-5. За C4ST применения комбинированной коррекции-аддитивной погреа-ности з сочетаний с методом зесовнх Функций обеспечено подавление покех проиивяенной частоти Сол^е 80 дБ при разреиав'дей способности по напряжения 0,5 икВ м потребляемой иоцности 1,5 иЗт.

Создан к внедрен в серийное призводство цифровой специализированный прибор типа ЦР6803 класса точности 0,05 для средства измерений средней модности лазерного излучения типа ЩШ-4. йод: -Фицироваинай вариант прибора ЦР6С03 используется в средстве измерений интенсивности теплозого облучения типа ИЙ0-5. К отличительным особенностям ЦР0803 относятся высокая пояехоустойчивость. расаиренный от 1 ккВ до напряжения питания 5 В диапазон входного сигнала и малый - кенее і ни - входной ток. что позволило включить на входе прибора высокооиный первичный измерительный преоб-разої ітель с выходная сопротивление* до 1,5 ИОм и обеспечить высокую точность измерения лри амплитуде сетевой поиехи. не превы-'

нанщей напряжения питания. Кроме того, ЦР6803 имеет широкие функциональные возможности: реализует калибровку теплових первичных измерительных преобразователей электрическим сигналом стабильной мощности, обеспечивает автоматическое переключение диапазонов измерения, автоматизированную установку нуля и вывод информации на тернопечатэкщее устройство. Средняя потребляемая мощность прибора ЦРО003 не лревкыает 2 кВт.

Создан и внедрен в серийное производство цифровой измеритель мощности непреривного лазерного излученг; типа ЦР6805 для медицинских целей. С приборе ЦР6005 примет, и фотодиодний измерительный преобразователь мощности лазерного излучения в электрический сигнал с авт шатической стабилизацией обратного напряиения фотодиода и иикромощний преобразователь напряжения в частоту с коррекцией мультипликативной погрешности. Прибор характеризуется потребляемой мэцностью 2 мВт при питании от авто-HJMiforo источника и 200 кВт - при питании о^т сети 220 D. 50 Гц.

Создан .и внедрен в серийное производство цифровой измеритель влажности версои типа flBOSOO с автоматической коррекцией аддитивной погрешности и цифровой кусочно-линейной аппроксимацией характеристики емкостного измерительного, преобразователя.

Создана и проали государственные привішу-"* испытания портативнее ЦЙН: специализированный прибор д.О^: ",:.-.,','рсния энергии импульсного лазерного излучения класса точное. 0.1, инею'дпй-паз-рекавцув способность '0.І л к 13 при потребляемой компост» 5 ийт: спзцналйзерооанннй прибор типа ЦР0С04 класса точности 0,05 <, ;ч\зреі;йицей способностью і г,'-:Ь при потребляемой мощности 0.7 мВт. предназначенный для работн с манометрическими измерителы;;.':.!;. іфоебразователани давление, мультиметр 1!!'!з8С1 класса точности 0,05 с автоматический вибором диапазоне:" измерен; .'; и виводок инфор" \цик на термопечать, обеспечивающий разреиаввди способность і нкВ - но напряжению, І0 нА - по току и 0,1 Он - по сопротивлению при средней потребляемой мощности 1 кВт.

Проведена разработка и изготовлены единичные образин портативных микромоцннх ЦИУ и ИИС, в том числе прибора для контроля влажности немнтой иорсти ПКВНВ-И с потребляемой мощное.ив 3 кВт: многоканальных термометрических комплексов типов ТМК-І5. ТНК-30, ТМК-С0, обеспечивающих погрешность измерения О.ІС и вывод ин-(,Формации 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 избиточнос-ти разработанное ЦПУ обеспечивают длительн;-ч - более 1 года -ра'оту без viienu элементов питания типа ft-Зіб с емкостью 0.5 Р.ч. . Приборы размещены в унифицированном пластмассовом корпусе с габаритными размерами 255 х 100 х 75 нм и имеют массу от 1 до 2 кг.

Рее микромощнне приборы и И'.!С 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 G нлн. руб. по ценан'1990 - 1991 гг.

Результати работы использована в серийных изделиях: цифровом измерителе напряжения и тока типа EJ60009; рабочих СИ средней мощности л энергии лазерного излучения типоз ЙИО-3 и ИМО-А, средстве измерений интенсивности теплового облучения типа ИНО-5... цифровом измерителе мощности лазерного излучения типа UPL005 и цифровом измерителе относительной влажности шерсти типа RB5800.

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

цксналькьх узлов Wl'J при мж;роам;і. рных токах питания по результатам экспериментальных исследований: в разработке новых структур интегрирующих АЦП с широккнк Функциональными возможностями: в оптимизации алгоритиог функционирования, а таие структурных и принципиальных схен серийных приборов: 56G003. 1IP68Q3, ЦРБ305, ЙБ0800. подготовленных к сериинокц производству ТІИУ типов: ЦКОЗОС Ц7Є80І, ЦГССС4 к изготовленных с единичных экземплярах приборов и КЇЇС типов: ПКВКВ-М. TffiMS. THK-3S и ТЇЇК-60.

Результати работы докладывались на: республ. науч.-технич. семинаре "Ковке электронике прибори" (Киев, 1972 .*.): республ. науч.-техн. конф. "Структурные методы повывенкя точности измерительных устройств и счете-,." (Киев, 1372 г.); республ. нзуч.-техн. конф. "Коммутационно - модуляционные методы и системы для получения измерительной информации о технологических процессах" (Киев, 1373 г.): республ. нзич.-техн. конф. "Структурные способы поБиіениа точности, чувствительности и быстродействия г.зыери-тель"ых устройств" (Низнь, 1975 г.5; Всвсовз. научи.-техн. конф. "Вопросы улучшения технических параметров универсальных электроизмерительных приборов" (Еитомкр. 1979 г.); республ. науч.-техн. конф. "Вопросы теории и проектирования электронных вольтметров и средств их поверки" СТаллинн. 1985 г.): ре^чубл. изучи.-техн. конф. "Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов и систем" С2:ітс«ир. 1905 г.); зональном семинаре "интегрирующие частотные зреия-им-пцльсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе" (Пенза, 1387 г.): республ. лауч.-техпич. конф. "Элементы и узлн современной приємно - усилительной аппаратуры" (Нсснса. 19D0 г.): Всесоюз. науч.-техн. семинаре "фПтико-физическке методы неразруыаящего контроля и технической диагнос..:ки в масино-строеь .и и приборостроении" (йосква. 1991 г.).

Основные результата работы опубликована в 65 печатных трэдах, из них 1 монография. 22 авторских свидетельства на изобретения. 17 статей и 25 докладов на конференциях и сеїишарах.

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 результат; диссертации на 6 листах.