Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ существующих беспроводных электронных датчиков для систем мониторинга окружающей среды 11
1.1 Анализ применения беспроводных электронных датчиков для систем мониторинга окружающей среды 11
1.2 Основные пути снижения энергопотребления беспроводных элек тронных датчиков 24
1.3 Сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, применяемой в беспроводных электронных датчиках 29
1.3.1 Исследование характеристик микромощных операционных усилителей 29
1.3.2 Основные параметры транзисторов в микрорежиме 33
1.3.3 Свойства микромощных КМОП логических элементов 37
1.3.4 Результаты сравнительного анализа 40
1.4 Выводы по первой главе 41
ГЛАВА 2 Разработка моделей и алгоритма оптимизации структуры микромощных беспроводных электронных датчиков 42
2.1 Общие подходы к моделированию микромощных беспроводных электронных датчиков 42
2.2 Модели микромощных беспроводных электронных датчиков различного функционального назначения и критерии оптимизации их структуры 45
2.3 Проектирование структуры микромощного беспроводного электронного датчика 52
2.4 Синтез совмещенных и комбинированных беспроводных электронных датчиков 57
2.4.1 Алгоритм оптимизации структуры микромощных беспроводных электронных датчиков 60
2.4.2 Реализация полученных решений 64
2.4.3 Анализ точности комбинированных беспроводных электронных датчиков 68
2.5 Выводы по второй главе 71
ГЛАВА 3 Разработка алгоритма функционирования беспроводных электронных датчиков на основе микромощной элементной базы 73
3.1 Оценка взаимосвязи методов аналого-цифрового преобразования с энергопотреблением микромощных беспроводных электронных датчиков 73
3.2 Автоматическая коррекция аддитивной погрешности микромощных беспроводных электронных датчиков 83
3.3 Алгоритм функционирования микромощных беспроводных электронных датчиков 86
3.4 Комплексное использование технологических и структурно-алгоритмических способов совершенствования параметров микромощных беспроводных электронных датчиков 93
3.5 Выводы по третьей главе 96
ГЛАВА 4 Предложения по реализации разработанных структур и алгоритмов функционирования микромощных беспроводных электронных датчиков 98
4.1 Микромощный беспроводный электронный датчик определения влажности 99
4.1.1 Принцип действия двухпараметровых устройств резонансного контроля влажности по 4.1.2 Постановка и решение задачи определения номинальных значений параметров схемы блока управления JQJ
4.1.3 Сравнительная оценка микромощных генераторов импульсов 106
4.1.4 Экспериментальная проверка микромощного датчика определения влажности с коммутацией напряжения питания функциональных узлов 111
4.2 Микромощный совмещенный беспроводный электронный датчик 114
4.2.1 Принцип действия совмещенного беспроводного электронного датчика с управлением по возмущениям 114
4.2.2 Сравнительная оценка микромощных компараторов 116
4.2.3 Экспериментальная проверка микромощного совмещенного беспроводного электронного датчика и рекомендации по его реали зации 119
'4.3 Выводы по четвертой главе 121
Заключение 123
Список литературы 125
- Сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, применяемой в беспроводных электронных датчиках
- Проектирование структуры микромощного беспроводного электронного датчика
- Автоматическая коррекция аддитивной погрешности микромощных беспроводных электронных датчиков
- Сравнительная оценка микромощных генераторов импульсов
Введение к работе
Актуальность исследования. Для снижения ущерба, причиняемого человеческому обществу неблагоприятными природными процессами и явлениями, и, по возможности, уменьшения риска человеческих потерь, необходимым является регулярный (по определенной программе) мониторинг окружающей среды с целью оценки ее состояния, анализа происходящих в ней процессов и своевременного выявления тенденций ее изменения. Одним из основных элементов такой системы мониторинга является комплекс технических средств, обеспечивающий осуществление измерения требуемых параметров.
Для регистрации последних традиционно используются электронные датчики -средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Благодаря развитию полупроводниковой и оптоэлектронной элементной базы, миниатюризации интегральных микросхем, появлению новых технологий передачи информации широкое распространение получили беспроводные электронные датчи-ки (БЭД).
Несмотря на успехи производителей БЭД (зарубежные фирмы: Honeywell International, NXP Semiconductors, Texas Instruments, National Semiconductor, Analog Devices, Atmel, ST Microelectronics, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips Electronics Oki, Omron и др., отечественные: Интека, Сенсорные технологии, Элкотех, Сенсорика, Теплоприбор, JUMO и др.), связанные с улучшением массогабаритных характеристик за счет высокой плотности размещения элементов датчиков и уменьшения размеров отдельных функциональных узлов БЭД, а также метрологических и динамических параметров (на основе работ П. В. Новицкого, Я. Т. Загорского, Б. Р. Иванова и др.), открытым остается вопрос увеличения времени их работы в условиях ограниченной ресурсоемкости и невозможности частой замены источников автономного электропитания, характерных для объектов мониторинга окружающей среды.
Увеличение времени работы БЭД может быть обеспечено снижением их энергетической избыточности (части потребляемой электрической мощности, которая не идет на выполнение основных заданных функций) за счет применения микромощной элементной базы без ухудшения метрологических характеристик. Однако, такое применение как разновидность технологического пути снижения потребляемой электрической мощности (энергопотребления) требует разработки новых структурно-алгоритмических решений по построению и функционированию БЭД.
Таким образом, снижение энергопотребления микромощных БЭД, применяемых в системах мониторинга окружающей среды, представляет собой сложную техническую задачу и обуславливает актуальность темы исследований.
Объектом исследования являются микромощные БЭД параметров природных и техногенных объектов, в пределах которых по определенной программе осуществляются регулярные наблюдения за окружающей средой с целью контроля за ее состоянием.
Предмет исследования - методы уменьшения энергопотребления микромощных БЭД за счет структурно-алгоритмических технических решений, закладываемых на этапе проектирования и реализуемых на этапе функционирования.
Целью диссертационной работы является снижение энергопотребления микромощных БЭД параметров природных и техногенных объектов.
Научная задача исследований заключается в создании моделей, алгоритмов построения и функционирования и предложений по реализации микромощных БЭД, позволяющих уменьшить их энергопотребление при ограниченной ресурсоемкости и невозможности частой замены источников автономного электропитания.
В работе решаются следующие основные задачи:
анализ методов снижения энергопотребления БЭД;
сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, применяемой в БЭД;
разработка математических моделей микромощных БЭД;
разработка алгоритма оптимизации структуры микромощных БЭД на этапе их проектирования;
разработка алгоритма функционирования микромощных БЭД, обеспечивающего уменьшение их энергопотребления;
разработка микромощных БЭД, реализующих последовательное во времени включение и выключение основных функциональных узлов в зависимости от выполняемых ими функций или алгоритма преобразования;
экспериментальная проверка разработанных структур и алгоритмов функционирования микромощных БЭД и моделирование процессов контроля с оценкой их эффективности.
Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач использовались элементы теорий графов, измерений и автоматического управления, методы линейного программирования, а также математического моделирования на ПЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
построены математические модели, описывающие взаимосвязь основных функциональных узлов микромощных БЭД набором обобщенных показателей, учитывающих их энергопотребление, стоимость и техническую совместимость;
разработан алгоритм оптимизации структур микромощных БЭД на основе предложенного набора обобщенных показателей, позволяющий снизить их структурную избыточность;
разработан алгоритм функционирования микромощных БЭД, обеспечивающий уменьшение энергопотребления за счет применения трехтактного интегрирующего аналого-цифрового преобразования с комбинированной автоматической коррекцией аддитивной погрешности.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
предложенные модели и алгоритмы являются основой для проектирования и модернизации БЭД;
разработаны новые структурные схемы микромощных БЭД и алгоритмы их функционирования, позволяющие снизить среднюю потребляемую мощность за счет последовательного во времени включения и выключения аналоговых функциональных узлов в зависимости от выполняемых ими функций или алгоритма преобразования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (17-19 ноября 2010, г. Рязань), 55-й Всероссийской научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (19-25 ноября 2012, г. Москва), Международ-
ной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем», (28-30 марта 2013, г. Москва), Международной молодежной научно-практической конференции «ИНФО-КОМ-2013» (22-27 апреля 2013, г. Москва).
Публикации. По результатам исследований опубликовано восемь статей, в том числе три статьи в изданиях из перечня ВАК, получены 2 патента РФ на полезные модели, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены при выполнении ОКР по отработке технологии изготовления многоканальных мало-дозных цифровых рентгеновских установок в ЗАО "Научприбор" (г. Орел), при контроле возгорания производственных помещений в ОАО «Мценский литейный завод» (г. Мценск), что подтверждается соответствующими актами внедрения. Ряд теоретических результатов внедрен в учебный процесс Академии ФСО России (г. Орел) при проведении занятий по дисциплинам «Электроника и схемотехника» и «Технические средства и методы защиты информации».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Математические модели и алгоритм оптимизации структур микромощных беспроводных электронных датчиков, основанные на представлении их набором обобщенных показателей, учитывающих энергопотребление, стоимость и техническую совместимость отдельных функциональных узлов.
-
Алгоритм функционирования микромощных беспроводных электронных датчиков, обеспечивающий уменьшение их энергопотребления за счет применения трехтактного интегрирующего аналого-цифрового преобразования с комбинированной автоматической коррекцией аддитивной погрешности.
-
Предложения по реализации микромощных беспроводных электронных датчиков влажности, температуры и задымленности с пониженной средней потребляемой мощностью для систем мониторинга окружающей среды.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 56 иллюстраций и 7 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 115 наименований, и двух приложений.
Сравнительный анализ характеристик микромощной элементной базы, применяемой в беспроводных электронных датчиках
Типы чувствительных элементов БЭД Для измерения одной и той же величины могут применяться ЧЭ, использующие различные физические процессы ее преобразования в электрические сигналы и разнообразные принципы действия. Доказательством может служить рассмотрение взаимосвязи принципов работы средств, осуществляющих термометрический метод контроля, приведенных на рисунке 1.5, и физических процессов, происходящих в них [28].
Измерение температуры осуществляется косвенными методами, основанными на зависимости от температуры физических свойств, которые поддаются непосредственному измерению (электрического сопротивления, проводимости, излучаемой энергии и т. д.). При этом в большинстве случаев необходимо, чтобы изменение контролируемого параметра было связано с исследуемой температурой функциональной зависимостью, близкой к линейной.
Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников (интегральные датчики, термисторы, позисторы) в зависимости от температуры. ЧЭ, использующие данный принцип преобразования, относятся к параметрическим резистивным.
Наименьшим диапазоном измерений из них обладают интегральные датчики температуры (ИС датчики - Integrated Circuit sensor). Диапазон измерений лежит в пределах от - 50 С до + 125 С с абсолютной погрешностью ± 1 С. Как правило, при расширении диапазона измерения точность температурных ЧЭ любого типа ухудшается.
Термисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы — положительным), которое изменяется при изменении температуры. Диапазон измерений - от - 50 С до + 200 С с погрешностью 0,2 - 1 % в зависимости от участка диапазона. Основную погрешность у интегральных датчиков и термисторов вносит нелинейность зависимости сопротивления от температуры.
Проводниковые термосопротивления изготовляют из платины, меди или никеля. Наибольшим диапазоном (- 250 С - +650 С) и наименьшей погрешностью (0,01 - 0,2 %) обладают платиновые термометры.
Принцип действия волоконно-оптических преобразователей основан на изменении характеристик пропускания света и, как следствие, изменении параметров сигнала обратного отражения при воздействии температуры (параметрический резистивный). Стекловолокно волоконно-оптического датчика с полиамидным покрытием может использоваться для измерения температуры до 400 С.
Функционирование термопар основано на эффекте Зеебека - возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спайкой [28]. В определенном интервале температур можно считать, что термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), возникающая в месте соединения (спайки) двух разнородных металлов или полупроводников, прямо пропорциональна разности температур между спайкой и концами термопары (генераторный термоэлектрический датчик). Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от - 250 С до 2000 С с погрешностью 0,5-2 С.
Кварцевые термометры - это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры (параметрический ёмкостный датчик). Измерение температуры основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Диапазон измеряемых температур существенно зависит от конструктивных особенностей чувствительного элемента и лежит в пределах от -150 С до +200 С с погрешностью ± 1 С. Для уменьшения погрешности должна осуществляться индивидуальная калибровка.
Инфракрасные приборы (пирометры) используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии (параметрический оптоэлектронный или генераторный фотовольтаический датчик). Это целая группа приборов, измеряющих температуру точки или области на объекте, позволяющих получить картину распределения температуры на пространственно-распределенном объекте мониторинга. Диапазон измерений наиболее широк (100 С до 3000 С и выше), но погрешность сравнительно велика (5 - 20 С).
В ходе природных и технологических процессов, параметры контролируемой среды могут изменяться в широком диапазоне (температура - от - 250 до +3000 С). Например, изменение температуры при лесном пожаре достигает тысячи градусов, а в местах химических реакций может достигать двух-трех тысяч градусов [25]. Проведенный анализ, результаты которого для наглядности приведены на рисунке 1.6, показал, что существующие средства измерения температуры, оснащенные одним чувствительным элементом, не в состоянии с высокой точностью производить измерения в широком диапазоне значений [29].
Для обеспечения заданной достоверности в широком диапазоне, в измерительных точках размещают несколько БЭД с разными ЧЭ (рис. 1.7), собранными в одном корпусе (комбинированные средства).
При выборе чувствительного элемента для БЭД кроме диапазона измерений необходимо учитывать точность и инерционность, показывающую, насколько быстро изменяется выходной сигнал при изменении температуры объекта мониторинга, а также его конструктивные особенности.
Проектирование структуры микромощного беспроводного электронного датчика
Наибольший интерес для описания структуры и принципов построения микромощных БЭД представляет математическое моделирование, которое позволяет осуществлять исследования характеристик процесса функционирования любой системы математическими методами, включая и машинные [62]. Для этого должна быть проведена формализация процесса, т. е. построена его адекватная математическая модель. Ее вид зависит как от природы и состава реального объекта, так и от конкретных задач его исследования, и требуемой достоверности и точности решения этих задач. Математическое моделирование исследования основных характеристик процесса функционирования различных БЭД, можно разделить на аналитическое, имитационное и комбинированное.
Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных зависимостей (алгебраических, интегро-дифференциальных, конечно-разностных и т. п.) или логических условий. Однако такие зависимости удается получить только для сравнительно простых систем. При усложнении систем исследование их аналитическим методом сталкивается со значительными трудностями, которые часто бывают непреодолимыми. Поэтому, желая использовать аналитический метод, в этом случае идут на существенное упрощение первоначальной модели, чтобы иметь возможность изучить хотя бы общие свойства системы или разлагают ее на совокупность простых моделей. Исследование на упрощенной модели аналитическим методом помогает получить ориентировочные результаты для определения более точных оценок другими методами. В отдельных случаях исследования характеристик БЭД могут удовлетворить и те выводы, которые можно сделать при качественной оценке метода анализа математической модели. Такие качественные методы широко используются, например, в теории автоматического управления для оценки эффективности различных вариантов систем управления.
Для реализации модели на ЭВТ строится соответствующий моделирующий алгоритм, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени. Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим, является возможность решения более сложных задач. В настоящее время имитационное моделирование - наиболее эффективный метод исследования средств контроля (измерения), а часто и единственный практически доступный метод получения информации об их поведении, особенно на этапе проектирования [63, 64].
Для реализации имитационных моделей созданы различные программные продукты: Mathcad, Lab View, VNSpice и др [65, 66]. Для схемотехнического моделирования радиоэлектронных схем с помощью ЭВМ применяются специализированные программы (Computer Aided Design, CAD — Системы автоматизированного проектирования, САПР), одной из которых является Electronics Workbench [67]. Она представляет собой интегрированный программный комплекс для моделирования и схематического представления цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых цепей. Программный пакет включает в себя инструменты моделирования, редактирования и специализированные виртуальные инструменты для тестирования электрических схем, а также имеет дополнительные возможности для анализа моделей.
Метод имитационного моделирования позволяет решать различные задачи анализа систем, включая оценки: вариантов построения структурной схемы, эффективности различных алгоритмов управления системой, влияния изменений различных параметров на точность и качество функционирования, что является актуальным при разработке структуры и наполнения функциональных узлов БЭД. Имитационное моделирование может быть положено также в основу структурного, алгоритмического и параметрического синтеза датчиков, когда требуется создавать устройства с заданными характеристиками при определенных ограничениях, которые должны быть оптимальны по ряду критериев оценки эффективности.
Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование при анализе и синтезе систем позволяет объединить достоинства аналитического и имитационного моделирования. При построении комбинированных моделей выполняется предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие подпроцессы, и для основных из них используются аналитические модели, а для остальных подпроцессов строятся имитационные модели. Такой комбинированный подход позволяет охватить те классы систем, которые не могут быть исследованы с раздельным использованием только аналитического и имитационного моделирования. Например, значения параметров отдельных элементов БЭД, описанные в виде некоторых математических соотношений или логических условий, могут быть рассчитаны аналитически, а затем использованы при построении имитационной модели.
При реальном моделировании используется возможность исследования различных характеристик либо на реальном объекте целиком, либо на его части. Такие исследования могут проводиться как на объектах, работающих в нормальных режимах эксплуатации, так и при организации специальных режимов для оценки интересующих характеристик (при других значениях переменных и параметров, в другом масштабе времени и т. д.). Реальное моделирование является наиболее адекватным, но при этом его возможности с учетом особенностей реальных объектов ограничены.
Таким образом, для описания структур БЭД и основных статистических и динамических параметров микромощной элементной базы целесообразно использовать инструменты аналитического моделирования, а для синтеза функциональных узлов и оценки работоспособности разработанных принципиальных электрических схем - имитационного.
Решение проблемы уменьшения структурной избыточности на этапе проектирования микромощных БЭД является неоднозначным, потому что с учетом изобилия различных функциональных узлов, представленных на рынке микромощных электронных компонентов, разработчикам необходимо учитывать их конструкцию, энергопотребление, стоимость, техническую совместимость, чувствительность, надежность и другие технические параметры изделий. Для оптимального выбора электронных компонентов для микромощных БЭД можно представить их обобщенную структурную схему (рис. 1.3) с помощью графа (рис. 2.1), у которого вершины соответствуют множеству структурных элементов средства, а ребра - связям между ними [68].
Множество вершин графа для каждого функционального узла БЭД обусловлено совокупностью электронных элементов, выполняющих однотипные функции. Ребра в общем случае последовательно соединяют все вершины, определяя возможность полного перебора.
Автоматическая коррекция аддитивной погрешности микромощных беспроводных электронных датчиков
Снижение энергопотребления КМОП микросхем достигается уменьшением напряжения питания и частоты переключения, поэтому минимизация потребляемой мощности может быть обеспечена применением алгоритмов аналого-цифрового преобразования, позволяющих понизить частоту цифровых блоков в микромощных БЭД.
В связи с изложенным для выявления взаимосвязи между принципами аналого-цифрового преобразования и энергопотреблением микромощной аппаратуры контроля целесообразно принять ряд предварительных условий: 1) при одинаковой длительности цикла аналого-цифрового преобразова ния ГПр = const в сравниваемых устройствах обеспечивается заданная погреш ность дискретности 5д } которая возникает при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и является следствием несовпадения частоты /о с началом и концом цикла преобразования [83]; 2) рассматриваемые средства процесса аналого-цифрового преобразова ния формируют выходной код, не превышающий номинального значения Nn, -J-связанного с погрешностью дискретности соотношением [84] н с ; 3) время задержки срабатывания Зд компараторов и время установле ния уст цифроаналоговых преобразователей не превышают половины перио 74 да частоты дискретизации /о при равенстве потребляемой мощности аналоговых функциональных узлов, т.е. выполняется условие уст « зд 1 / Уо j 4) время срабатывания аналоговых ключей и коммутаторов, а также время, затрачиваемое на выполнение дополнительных операций (сброс, запись кода и т.п.) пренебрежимо мало по сравнению с общей длительностью цикла преобразования 7\ф; 5) в цифровой части сравниваемых АЦП применены КМОП логические элементы, динамическая мощность потребления которых пропорциональна частоте дискретизации (квантования) /о а аналоговая часть АЦП реализована на микромощных ОУ и ЦАП, токи питания которых устанавливаются в зависимости от требуемой скорости нарастания выходного напряжения VJJ или от времени задержки зд
С учетом этих условий задача минимизации энергопотребления БЭД сводится к выявлению принципов аналого-цифрового преобразования, позволяющих за ограниченное время Тп обеспечить допустимую погрешность За при наименьшей частоте дискретизации /Q. Дополнительным фактором, влияющим на выбор метода преобразования при равенстве основных технических параметров, является общее количество активных полупроводниковых элементов (ОУ, компараторов и ЦАП), применяемых в аналоговой части АЦП, увеличение числа которых однозначно приводит к повышению энергопотребления за счет статической мощности, связанной с заданием режимов работы по постоянному току.
В результате анализа типовых схем построения устройств АЦП различного типа (рис 1.8) установлено, что использование параллельных и последовательно-параллельных (многотактных, многоступенчатых, конвейерных) методов в микромощных БЭД неприемлемо из-за структурной сложности и, соответственно, повышенного энергопотребления [85, 86]. В аналого-цифровых преобразователях последовательного счета (рис. 3.1) измеряемое напряжение Ux сравнивают с линейно изменяющимся во времени напряжением t/цдп Для формирования которого применяют ЦАП со счетчиком импульсов частоты /о и источник опорного напряжения (ИОН) UQ .
Он содержит компаратор, при помощи которого выполняется сравнение, на прямой вход которого поступает входной сигнал Ux, а на инвертирующий изменяющееся во времени напряжение ЦАП Импульсы от генератора через схему управления поступают на счетчик, который управляет работой цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В результате последовательного увеличения выходного кода счетчика происходит последовательно-ступенчатое увеличение выходного напряжения ЦАП ЦАП. Когда выходное напряжение ЦАП сравняется с входным напряжением, произойдет переключение компаратора и схема управления отключит генератор от счетчика. Выходной код, соответствующий равенству Ux t/цАП, снимается с выходного регистра. Цикл преобразования Тщ АЦП этого типа является переменньш и определяется входным напряжением (рис. 3.2, а). Его максимальное значение соот 76 ветствует максимальному входному напряжению. Частоту дискретизации /Q устанавливают в зависимости от заданной погрешности д и длительности цикла преобразования ГПр [87]:
Временные диаграммы АЦП последовательного счета (а) и последовательного приближения (б)
Если в преобразователях последовательного счета АЦП выполнять за два такта Т\ и ТІ с увеличенной в m раз скоростью нарастания выходного напряжения ГПН (или ЦАП) в такте П по сравнению с тактом 12, то частоту дискретизации /о можно уменьшить в т/2 раз без увеличения длительности Тщу и погрешности преобразования:
Увеличение количества тактов в цикле преобразования ГПр при одновременном изменении в m раз скорости изменения опорного напряжения в каж 77 дом последующем такте приводит, в итоге, к АЦП последовательного приближения (рис. 3.3) [88], который реализуется посредством формирования на выходе ПАП разных напряжений (рис. 3.2, б): Щ/2 - в такте ТІ, Щ/2 ± Щ/4 - в такте ТІ и т. д., что позволяет уменьшить частоту дискретизации /Q [89], /о -log2
Сравнительная оценка микромощных генераторов импульсов
При входном напряжении \UX\ АС/ через усилители протекает максимальный ток /пот.тах =10(Лшт- и зУКд, формируемый с помощью резистора Ry и генератора тока (ГТ) на транзисторе VT3 и резисторе Яд = Ry/W, подключенных к управляющим входам ОУ, вследствие чего компаратор срабатывает при изменении полярности Uх с минимальной задержкой. При возрастании входного напряжения до уровня Ux \AU \ = /Бэ#(Я1 + R2)/[R2(R + Roc)] открывается один из ключевых транзисторов VT\ или VT2 (в зависимости от полярности Ux), шунтирующих эмиттерный переход VT3. Поэтому общий ток потребления
Лют усилителей А\, А2 (рис. 4.13) становится минимальным и при выборе сопротивлений по неравенству Ry » і?д определяется соотношением
Необходимо отметить, что при большом перепаде входного напряжения микромощные ОУ (К140УД12, КР1407УД2 и т. п.) сравнительно долго выходят из насыщения, причем время запаздывания Зп зависит не только от тока потребления /пот, но и от полярности входного сигнала [109]. Наряду с программируемыми по току операционными усилителями в микромощных компараторах целесообразно применять сборки транзисторов либо отдельные транзисторы, работающие в микрорежиме [115] (рис. 4.13).
К особенностям функционирования разработанной схемы компаратора относится автоматическое отключение (включение) тока потребления в зависимости от уровня и полярности входного напряжения Ux. В процессе работы максимальный ток потребления компаратора пот R3+R4 R2 (4ЛЗ) протекает только при отрицательном входном напряжении Ux, соответствующем порогу срабатывания, который определяется выражением Ux=Unop=-UE3(l + -), (4.14) а при положительном входном напряжении Ux 0 ток потребления /Пот= О Снижение энергопотребления при использовании компаратора (рис. 4.13, а) достигается за счет того, что после срабатывания компаратора при Uх С/пор напряжение Ux возрастает и становится положительным из-за влияния импульса обратной связи преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ). Поэтому средний ток питания компаратора не превышает единиц микроампер при времени задержки срабатывания не более А/СРАБ = (5 - 10) мкс.
Аналогичный эффект уменьшения средней потребляемой мощности за счет модуляции тока питания в зависимости от уровня входного напряжения Ux обеспечивается при использовании в качестве компараторов микромощных ПНЧ триггеров Шмитта, например, на микросхеме К561ТЛ1. В этом случае при выходной частоте ПНЧ 10 кГц задержка срабатывания не превышает значения А СРАБ (0,5-1) мкс при напряжении С/Пит = (3 - 5) В и токе /Пот Ю мкА.
Выходы преобразователей (рис. 4.11) подключаются ко входам коммутационного узла, реализованного на мультиплексоре К561КП1. При этом наличие на выходах сигналов, соответствующих уровням КМОП микросхем, позволяет исключить из схемы совмещенного БЭД (рис. 1.11) МУ и АЦП, а дизъюнктивный характер результата работы преобразователей при их малом числе позволяет упростить КУ и исключить из схемы БОД (рис. 4.14).
В этой схеме преобразователи температуры и задымленности (рис. 4.11) через диоды VD3, VD4 соединяются с нагрузочным резистором R15 и через низкочастотный фильтр поступают на ключевую микросхему DDX, к выходу которой подключен передатчик. При появлении напряжения питания на выходе любого из преобразователей с компараторами, оно начинает через резистор Л14 заряжать конденсатор СЗ, который защищает совмещенный БЭД от кратковременных помех на входе компараторов или по цепи питания. Когда СЗ зарядится до определенного уровня, ключи микросхемы DDX начнут пропускать ток, и на их выходе появится напряжение, включающее передатчик. Оно и будет свидетельствовать о критической ситуации на объекте мониторинга.
Для проверки адекватности технических предложений по снижению энергопотребления проведено моделирование схемы температурного датчика в программе Electronics Workbench [67]. Результаты экспериментальных исследований предлагаемого совмещенного средства контроля с управлением по возмущению (рис. 4.11 и 4.14) свидетельствуют о его низком энергопотреблении (рис. 4.15), так как средний ток потребления не превышает значения Лтот = 34 мкА. Это позволило сформулировать ряд практических рекомендаций по его применению и особенностям конструктивного выполнения. Во-первых, конструкция преобразователей предлагаемого совмещенного датчика должна представлять собой диэлектрическую пластину с размещенными на ней терморезистором R6 и диодами VDX и VD2, помещенными в трубки 1 и 2 из непрозрачного материала (рис. 4.16).
