Аналогові функціональні перетворювачі на комутованих конденсаторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Аналогові функціональні перетворювачі на комутованих конденсаторах

Мичуда Леся Зиновіївна

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Обробка інформації у сучасних системах автоматики й інформаційно-вимірювальних системах вимагає функціонального перетворення сигналів для забезпечення різних математичних залежностей між вхідними та вихідними величинами.

У зв'язку з цим особливої уваги заслуговують аналогові функціональні перетворювачі (АФП), що працюють з аналоговими вхідними сигналами, оскільки переважна більшість первинних перетворювачів мають аналогові вихідні сигнали. При цьому вигідно вирізняються широким динамічним діапазоном вхідних сигналів логарифмічні АФП.

Крім того, використання логарифмування та антилогарифмування дозволяє набагато швидше і точніше виконати за допомогою електронних вузлів ряд математичних операцій, зокрема, множення, ділення, піднесення до степеня, добування кореня й ін. Зауважимо, що електронні вузли, як правило, виконують з достатньою точністю лише додавання та віднімання.

На даний час найбільш поширені три способи логарифмічного перетворення, зокрема, на основі p-n переходу напівпровідникових діодів, процесів розряду в RC-колі, процесів перезаряду в комутованих конденсаторах.

Логарифмічні перетворювачі на p-n переході напівпровідникових елементів за рахунок інтегрального виконання мають знижену до 0,5% похибку перетворення; подальше зменшення похибки неможливе через технологічні обмеження сучасної інтегральної електроніки,- у першу чергу, через відносно великий взаємний розкид параметрів виготовлених на одній підкладці активних елементів, який становить 0,2% - 5%.

Похибка перетворення логарифмічних перетворювачів на розрядному RC-колі звичайно лежить в межах 0,5% - 1% ; це зумовлено тим, що логарифм визначається за часом розряду конденсатора при великій кількості дестабілізуючих факторів.

Для побудови АФП найбільш перспективним є розроблений на кафедрі "Автоматика та телемеханіка" Державного університету "Львівська політехніка" спосіб логарифмування на основі використання явища перерозподілу заряду в комутованих конденсаторах, оскільки забезпечує порівняно з іншими значне (в 5 i бiльше разів) пiдвищення точностi, ширші функціональні можливості за рахунок реалізації будь-якого значення основи логарифму та природного представлення результату перетворення у виглядi число-імпульсного коду.

Проте, питання проектування та розробки АФП на основі використання явища перерозподілу заряду в комутованих конденсаторах (АФПК) досліджені недостатньо і відомі АФП на комутованих конденсаторах мають обмежені функціональні можливості: виконують лише одну з таких функцій як додавання, множення на постійний коефіцієнт або інтегрування.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Проблема розробки та побудови аналогових функціональних перетворювачів на комутованих конденсаторах вирішувалася при виконанні науково-дослідних робіт Державного університету “Львівська політехніка” (НДЛ-15) по держбюджетних темах “Швидкодіючі перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем” (ДБ/15 ЛАЦП) номер державної реєстрації 0196U000181 у розділі “Аналоговий функціональний перетворювач на комутованих конденсаторах” та “Високоточні перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем” (ДБ/Точність) номер державної реєстрації 0198U002350 у розділі “Аналогові функціональні перетворювачі на комутованих конденсаторах”.

Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження раціональних принципів побудови та створення нових аналогових функціональних перетворювачів з підвищеною точністю та розширеними функціональними можливостями на основі використання явища перерозподілу заряду в комутованих конденсаторах.

Основні вимоги до розроблюваних АФПК:

1. Вхідна величина - напруга постійного струму з номінальним значенням - 10 В;

2. Динамічний діапазон вхідних сигналів не менший 80 дБ.

3. Основна похибка перетворення не більша 0,25%.

4. Вихідний сигнал - напруга постійного струму.

5. Основні виконувані функції - множення, ділення, піднесення до степеня та добування кореня.

Методи досліджень. Поставлені задачі розробки і дослідження вирішені в дисертації на основі використання теорії лінійних електричних кіл, методів матричної та лінійної алгебри, теорії похибок, комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- запропоновано нові принципи побудови та структури АФПК, які дозволяють підвищити точність і розширити функціональні можливості перетворювачів при простій схемній реалізації;

- розроблено АФПК типу логарифматор-антилогарифматор, який має високу точність і є найпростішим за схемним рішенням;

- запропоновано АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках, що відрізняється підвищеною точністю, спрощеним схемним рішенням і широкими функціональними можливостями;

- запропоновано АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на одній конденсаторній комірці, який має підвищену точність і широкі функціональні можливості;

- розроблено високоточний АФПК з додатковим арифметичним блоком, який має розширені функціональні можливості і велику гнучкість при виборі потрібної функціональної залежності;

- запропоновано аналого-цифровий функціональний перетворювач (АЦФП) на конденсаторній комірці, який відрізняється підвищеною швидкодією;

- розроблені фізичні та математичні моделі АФПК;

- запропоновано аналітичні вирази для характеристик перетворення та оцінки похибок АФПК.

Практичне значення результатів роботи полягає у тому, що:

- розроблені принципові електричні схеми АФПК і на їх базі виготовлено і досліджено декілька макетних зразків перетворювачів;

- розроблені математичні моделі дали можливість при розробці АФПК прогнозувати їх технічні характеристики і до мінімуму звести роботи при макетуванні;

- отримані розрахункові співвідношення для АФПК та їх окремих вузлів і приведені практичні рекомендації по реалізації;

- розв'язана задача чисельного дослідження АФПК на ЕОМ, зокрема, розроблені алгоритми і створено пакет прикладних програм, який дозволяє оцінити похибки та характеристики перетворення проектованих АФПК з урахуванням реальних параметрів їх компонентів;

- одержано та систематизовано у вигляді таблиць і графіків характеристики макетних зразків АФПК.

Реалізація та впровадження результатів роботи:

- АФПК типу 3-логарифматори-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках був використаний у Львівському центрі інституту космічних досліджень НАНУ та НКУ при розробці широкодіапазонного промислового витратоміру газу;

- АФПК з додатковим арифметичним блоком був використаний у Державному університеті "Львівська політехніка" у держбюджетній темі "Швидкодіючі перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем";

- АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках був використаний у Державному університеті "Львівська політехніка" у держбюджетній темі "Високоточні перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем".

На захист виносяться наступні основні положення дисертаційної роботи:

- нові принципи побудови та структури АФПК, які дозволяють підвищити точність і розширити функціональні можливості АФПК при простій схемній реалізації;

- спосіб забезпечення ідентичності багатьох логарифматорів за рахунок виконання їх на одній конденсаторній комірці, що дозволяє підвищити точність і значно розширити функціональні можливості АФПК на їх основі порівняно з відомими АФПК;

- нові класи багатофункціональних АФП - АФП на комутованих конденсаторах, які перевершують відомі перетворювачі точністю, спрощеною реалізацією і зручністю інтегрального виконання, зокрема:

- АФПК типу логарифматор-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках;

- АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках;

- АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на одній конденсаторній комірці;

- аналого-цифровий функціональний перетворювач на одній конденсаторній комірці;

- фізичні та математичні моделі АФПК;

- аналітичні вирази для характеристик перетворення та методика оцінки похибок АФПК;

- результати розробки та експериментальних досліджень АФПК.

Особистий внесок. Основна частина досліджень дисертаційної роботи виконана автором самостійно, а саме: розробка та побудова найпростішого АФПК типу логарифматор-антилогарифматор; розробка нових структур високоточних АФПК з додатковим арифметичним блоком; розробка фізичної та математичної моделі АФПК; розробка методик досліджень АФПК та його складових; розробка методики оцінки точності АФПК; розробка алгоритмів і пакету програм для дослідження АФПК на ЕОМ; визначення перспективних напрямків розвитку АФПК і побудови на їх основі засобів обчислювальної техніки та систем керування.

У дослідженнях, виконаних у співавторстві, вклад автора був визначальним. Прізвища співавторів, які приймали участь по окремих питаннях, наведені у списку літератури.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових конференціях, а саме: 2-й українській конференції з автоматичного керування "Автоматика - 95" (м.Львів, 1995р.); 3-й українській конференції з автоматичного керування "Автоматика - 96" (м.Севастополь, 1996 р.); міжнародній конференції "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи" Друкотехн - 96 (м.Львів, 1996 р.); міжнародній конференції "Modelling and investigation of system stability" (м.Київ, 1997 р.).

Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 201 сторінці друкованого тексту, містить 61 рисунок на 56 сторінках і складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 91 найменування на 9 сторінках та додатку на 23 сторінках, який містить тексти програм, таблиці розрахункових даних, акти впровадження.

Публікації. За результатами розробок і досліджень, проведених у дисертаційній роботі, опубліковано 10 друкованих робіт, з них 5 статей у наукових журналах, 3 статті у наукових працях конференцій, 1 тези доповіді на науково-технічній конференції і 1 заявка України на винахід.

2. ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі аргументовано актуальність теми, дана постановка задачі, викладена наукова новизна одержаних результатів, вказано практичне значення результатів роботи та особистий внесок автора.

У першому розділі проведено огляд сучасного стану аналогових функціональних перетворювачів і зроблено їх класифікацію. Показано, що серед сучасних АФП найбільшого поширення набули перетворювачі типу логарифматор-антилогарифматор, оскільки вони дозволяють перетворювати вхідні сигнали у широкому динамічному діапазоні. За рахунок інтегрального виконання похибка перетворення АФП типу логарифматор-антилогарифматор знижена до 0,25% і подальше її зменшення обмежується можливостями сучасної інтегральної технології.

Збільшення кількості логарифматорів у схемі АФП призводить до розширення функціональних можливостей перетворювача, проте воно обмежується труднощами забезпечення ідентичності характеристик логарифматорів,- через те відомі АФП містять не більше як 2 - 3 логарифматори.

Покращення параметрів і характеристик логарифматорів сприяє підвищенню метрологічних властивостей АФП, і в цьому плані для побудови АФП найбільш перспективними є логарифматори на комутованих конденсаторах з використанням явища перерозподілу заряду, які відрізняються від інших, у першу чергу, підвищеною точністю та більш зручним для обробки вихідним сигналом у вигляді число-імпульсного коду.

Розділ другий присвячений розробці та аналізу принципів побудови аналогових функціональних перетворювачів на комутованих конденсаторах. Запропоновано та досліджено нові принципи побудови АФП на основі явища перерозподілу заряду в конденсаторних комірках, зокрема: АФПК типу логарифматор-антилогарифматор, АФПК на двох, трьох і багатьох (N) логарифматорах, АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках, АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на одній конденсаторній комірці, АФПК з додатковим арифметичним блоком і аналого-цифровий функціональний перетворювач на конденсаторній комірці.

Основою для побудови АФПК на основі явища перерозподілу заряду є конденсаторні комірки (рис.1) логарифматора і антилогарифматора, кожна з яких містить дозуючий С_д відповідно (С1 і С3) і накопичуючий С_н - (С2 і С4) конденсатори та три аналогові ключі - (К1 - К3 і К4-К6). Ці дві комірки відрізняються лише тим, що до накопичуючого конденсатора комірки логарифматора підключений один із входів компаратора (Км), другий вхід якого є інформаційним входом логарифматора.

На прикладі комірки логарифматора розглянуто явище перерозподілу заряду. За командою схеми управління, що забезпечує потрібну послідовність перемикання аналогових ключів, замикається ключ K3 і накопичуючий конденсатор C2 заряджається до рівня опорної напруги U₁. Потім починається процес перетворення шляхом перерозподілу заряду між конденсаторами C2 і C1 при почерговому переключенні ключів розряду K1 і перерозподілу K2. Особливість роботи цих ключів полягає у тому, що при замкнутому ключі K1 ключ K2 розімкнутий і навпаки, при розімкнутому К1 - K2 замкнутий.

Після n-го тактуючого імпульсу напруга на накопичуючому конденсаторі C2 стане рівною

, (1)

де , причому C₂ ” C_1.

Процес зниження напруги на накопичуючому конденсаторі C2 проходить доти, поки вона не стане рівною чи меншою напруги U₂ на другому вході компаратора Км. Тоді спрацьовує компаратор, фіксуючи момент закінчення перетворення. Якщо цей момент настав після n-го тактуючого імпульса, то і за виразом (1) число тактуючих імпульсів, що поступили на вхід управління ключа K2, рівне

, (2)

тобто логарифму відношення напруги U₂ до U₁.

Аналогічно протікатимуть процеси у конденсаторній комірці антилогарифматора. Якщо накопичуючий конденсатор С4 попередньо був заряджений до рівня напруги U₃, то при замиканнях ключа К5 напруга U₄ на конденсаторі С4 буде змінюватися так

, (3)

де r - число імпульсів, що поступило на управляючий вхід ключа К₂;

;

С₃ - ємність дозуючого конденсатора антилогарифматора;

С₄ - ємність накопичуючого конденсатора антилогарифматора, причому С₃<<С₄.

Як видно з формули (3), конденсаторна комірка може бути використана для потенціювання результату, одержаного за виразом (2), тобто вона дійсно є антилогарифматором.

Запропоновано та досліджено найпростіший за способом побудови АФПК на комутованих конденсаторах (рис.2), який містить комірку логарифматора (КК1), комірку антилогарифматора (КК2) та блок керування, який подає на ключі комірок рознесені у часі імпульсні послідовності (F1 i F2). Блок керування містить генератор тактових імпульсів (ГТІ), одновібратор (ОВ) і формувач імпульсних послідовностей (ФІП).

При проектуванні таких АФПК необхідно забезпечувати рівність коефіцієнтів , що досягається рівністю відповідних ємностей накопичуючого та дозуючого конденсаторів логарифматора та антилогарифматора.

За умови, що всі імпульси з виходу логарифматора поступають на вхід антилогарифматора, тобто

і ,

отримано вираз для функції перетворення найпростішого АФПК:

(4)

де U₂ - вхідна напруга логарифматора;

U₄ - вихідна напруга антилогарифматора;

U₁ і U₃ - опорні напруги логарифматора та антилогарифматора.

Якщо опорні напруги логарифматора U₁ і антилогарифматора U₃ не рівні між собою та U₁>U₂, то

. (5)

Отже, якщо

а) U₁=U₄, то ; (6)

б) U₂=U₃, то . (7)

Найпростіший АФПК, побудований на одній комірці логарифматора та одній комірці антилогарифматора, може реалізувати множення, ділення, піднесення до квадрату та добування кореня квадратного у трьох різних поєднаннях.

З метою розширення функціональних можливостей розроблено АФПК на двох комірках логарифматорів та одній комірці антилогарифматора. На антилогарифматор надходить сума імпульсів від двох логарифматорів r=n1+n2 і функція перетворення АФПК такого типу має вигляд:

, (8)

де штрихами позначені напруги другого логарифматора.

Задаючи певні співвідношення між опорними, вхідними та вихідною напругами можна отримати різні математичні залежності. АФПК на двох логарифматорах та антилогарифматорі окрім множення, ділення, піднесення до квадрату та добування кореня квадратного, виконує піднесення до кубу та добування кореня кубічного та різні поєднання цих операцій - усього вісім функцій.

При використанні трьох комірок логарифматорів має місце подальше розширення функціональних можливостей перетворювача. АФПК на трьох логарифматорах і антилогарифматорі реалізує множення, ділення, піднесення до квадрата, куба і до четвертого степеня, а також добування кореня квадратного, кубічного і біквадратного у різних поєднаннях - усього тринадцять функцій.

Функція перетворення АФПК з використанням трьох логарифматорів має вигляд:

. (9)

Введення у схему АФПК додаткового логарифматора розширює його функціональні можливості майже у два рази; причому максимальне значення показника степеня та кореня на одиницю більше від кількості логарифматорів.

Для спрощення реалізації та розширення функціональних можливостей запропоновано спосіб побудови АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор з використанням двох конденсаторних комірок та багатьох компараторів, кількість яких визначається бажаним числом логарифматорів; при цьому також забезпечується ідентичність логарифматорів незалежно від їх кількості та підвищується точність перетворення (за рахунок зменшення паразитних впливів на процес перерозподілу заряду в окремих логарифматорах). Для перетворювачів такого типу справедливі всі математичні залежності, виведені для АФПК з відповідною кількістю логарифматорів.

Як шлях подальшого спрощення побудови АФПК запропоновано виконання логарифматорів і антилогарифматора на одній конденсаторній комірці. Таким чином забезпечується повна ідентичність логарифматора й антилогарифматора і відповідно найбільша взаємна компенсація їх похибок. Проте у цьому випадку є меншою швидкодія.

Використовуючи властивості логарифмів, зокрема, що сума логарифмів відповідає логарифмові добутку, різниця логарифмів - логарифмові частки, а множення чи ділення логарифма на постійний коефіцієнт - піднесенню до степеня чи добуванню кореня з виразу під логарифмом, можна шляхом виконання операцій з вихідним число-імпульсним кодом логарифматорів значно розширити функціональні можливості АФПК. З цією метою запропоновано побудувати АФПК з додатковим арифметичним блоком (АБ), який складається зі схем додавання та віднімання імпульсів, а також помножувача та дільника частоти імпульсів (рис.3); при цьому степінь потенціювання та добування кореня визначається коефіцієнтами множення та ділення застосовуваних помножувача та дільника частоти імпульсів.

Такий АФПК на двох логарифматорах виконує вісім функцій при перемноженні вхідних величин, одинадцять функцій - при їх діленні та по чотири функції при потенціюванні та добуванні коренів.

Функції перетворення цього АФПК мають вигляд:

а) для множення та ділення вхідних величин відповідно

та , (10)

б) для піднесення до степеня та добування кореня при коефіцієнті множення помножувача частоти k та при коефіцієнті ділення дільника частоти q відповідно

та . (11)

Запропоновано аналого-цифрові функціональні перетворювачі з перерозподілом заряду, які мають значно вищу швидкодію порівняно з АФПК при виконанні цифрового антилогарифматора на швидкодіючих елементах, проте їх точність нижча, оскільки цифровий антилогарифматор не компенсує похибки логарифматора на комутованих конденсаторах.

У розділі третьому проведено математичне моделювання аналогових функціональних перетворювачів на комутованих конденсаторах та зроблена оцінка їх похибок. Встановлено, що на точність перетворення АФПК впливають наступні чинники: паразитні ємності аналогових ключів конденсаторних комірок, струми витікання у конденсаторних комірках, можливе відхилення ємностей накопичуючого та дозуючого конденсаторів від вибраних номіналів, неідеальність компаратора та виконання різних математичних операцій.

Вплив паразитних міжелектродних ємностей аналогових ключів на процеси перерозподілу заряду в конденсаторних комірках відбувається через:

а) безпосередню зміну ємностей дозуючого та накопичуючого конденсаторів конденсаторної комірки:

; (12)

б) проникнення напруги управління аналогового ключа в конденсаторну комірку:

, де ; (13)

в) передачу паразитного заряду затвора аналогового ключа в конденсаторну комірку:

, де . (14)

Абсолютна похибка () від безпосередньої зміни ємностей дозуючого та накопичуючого конденсаторів зростає із збільшенням паразитних ємностей і зниженням рівня вхідного сигналу. Так, при Uвх=1 мВ =0,39 при Спар=1 пФ; =1,9 при Спар=5 пФ і =3,8 при Спар=10 пФ. Для Uвх=1 В похибка =0,96 при Спар=10 пФ.

При використанні високоякісних аналогових ключів Спар не перевищує 2 пФ і з ймовірністю 0,95 можна стверджувати, що зведена похибка () від безпосередньої зміни ємностей дозуючого та накопичуючого конденсаторів не перевищує 0,05%.

Абсолютна похибка () від проникнення напруги управління зростає із збільшенням паразитних міжелектродних ємностей і значення вихідного коду: для N=900 =2,28 мВ при Спар=1 пФ; =14,4 мВ при Спар=5 пФ і =28,8 мВ при Спар=10 пФ. Із зменшенням значення вихідного коду ця похибка зменшується незначно: для N=500 =14 мВ при Спар=5 пФ.

При використанні високоякісних аналогових ключів зведена похибка від проникнення напруги управління не перевищує 0,04%.

Похибка від паразитного заряду, що накопичується на затворі ключа під час дії напруги управління, має знак протилежний до знаків похибок від зміни ємностей комірки та від проникнення напруги управління і за рахунок цього частково компенсує їх; абсолютне значення похибки від паразитного заряду зростає із збільшенням міжелектродних ємностей затворів ключів.

Результуюча похибка від проникнення напруги управління та передачі паразитного заряду зростає із збільшенням паразитних міжелектродних ємностей затвору та збільшенням значення вихідного коду. Так, при Спар=5 пФ і N=900 =99,8 мкВ; при Спар=10 пФ і N=900 =0,18 мВ.

При використанні високоякісних аналогових ключів зведена результуюча похибка від проникнення напруги управління та передачі паразитного заряду не перевищує 0,001%.

Вплив струмів витікання визначається за наступним виразом:

, (15)

де - період тактової послідовності, що подається на ключ перерозподілу К2, - сумарний струм витікання, k=N/8 - коефіцієнт заповнення.

Абсолютна похибка () від дії струмів витікання не залежить від значення паразитних міжелектродних ємностей і зростає при збільшенні вихідного коду. Наприклад, при тактовій частоті 20 кГц похибка =2,47 мВ для N=5000 і =4,93 мВ для N=10000.

Зведена похибка від струмів витікання не перевищує 0,025% для N=5000 і 0,05% для N=10000.

При виконанні арифметичних операцій похибки конденсаторних комірок логарифматорів та антилогарифматора частково компенсуються і результуюча відносна похибка виконання операції не перевищуватиме 0,1% для ділення та 0,001% для множення, потенціювання та добування коренів ( до четвертого степеня включно) при паразитній міжелектродній ємності Спар не більшій 10 пФ.

Виведено аналітичні вирази для результуючих похибок розроблених перетворювачів з урахуванням кореляційних зв`язків між окремими групами складових похибок.

Результуюча похибка АФПК () визначається з урахуванням взаємної компенсації похибок логарифматора () та антилогарифматора (). Вона складається із зведених похибок квантування (), струмів витікання (), виконання математичної операції та розузгодження; останні дві складові на порядок менші від похибки квантування і тому ними можна нехтувати. Отже,

. (16)

Результуюча похибка АЦФП () визначається похибками логарифматора та антилогарифматора, які не компенсуються взаємно через неможливість виконання цих вузлів ідентичними, і похибкою квантування:

. (17)

Похибка логарифматора, у свою чергу, складається із зведених похибок від впливу паразитних міжелетродних ємностей аналогових ключів () і струмів витікання

. (18)

Оцінка похибок за виведеними виразами, проведена з урахуванням реальних параметрів компонентів і нормального закону розподілу їх значень, показує, що з ймовірністю 0,95 значення результуючих зведених похибок розроблених АФПК і АЦФП не перевищують 0,15%.

Отже, розроблені АФПК і АЦФП відносяться до високоточних перетворювачів.

У четвертому розділі розроблено та досліджено функціональні та принципові схеми запропонованих АФПК та їх основних вузлів і наведено результати виконаного фізичного моделювання.

На основі проведених досліджень властивостей основних вузлів АФПК встановлено, що точність і швидкодія АФПК у першу чергу залежать від конденсаторних комірок і, зокрема, від використаних у комірках аналогових ключів.

З метою підвищення точності АФПК запропоновано ввести у швидкодіючий аналоговий ключ на операційному підсилювачі емітерний повторювач, який зменшує перевантаження підсилювача при комутаціях, і додаткові ключові елементи, за допомогою яких здійснюється вирівнювання потенціалів і струм витікання через ключ зводиться практично до нуля.

Експериментальні дослідження показали, що в найпростіших АФПК типу логарифматор-антилогарифматор дійсно має місце найбільш повна компенсація похибок логарифматора і антилогарифматора - зведена похибка перетворення таких АФПК не перевищувала 0,1%.

В експериментально досліджених АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор зведена похибка перетворення була дещо більша, ніж у найпростіших АФПК, але не перевищувала 0,12%.

Для взаємної компенсації похибок логарифматорів і антилогарифматора конденсаторні комірки АФПК повинні виконуватися ідентичними, причому похибка від струмів витікання ефективно компенсується вирівнюванням часу перетворення логарифматорів і часу перетворення антилогарифматора, що легко досягається відповідним виконанням блоку управління.

Розбіжність між результатами теоретичних і експериментальних досліджень була незначною, меншою 9%, і свідчить про вірогідність наукових результатів і коректність експериментів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ РОБОТИ

1. Серед сучасних АФП найбільшого поширення набули перетворювачі типу логарифматор-антилогарифматор, оскільки вони дозволяють перетворювати вхідні сигнали у широкому динамічному діапазоні. За рахунок інтегрального виконання похибка перетворення АФП цього типу знижена до 0,25% і подальше її зменшення обмежується можливостями сучасної інтегральної технології.

2. Збільшення кількості логарифматорів у схемі АФП призводить до розширення функціональних можливостей перетворювача, проте воно обмежується труднощами забезпечення ідентичності характеристик логарифматорів; тому відомі АФП містять не більше як 2 - 3 логарифматори.

3. Запропоновано спосіб забезпечення ідентичності багатьох логарифматорів за рахунок виконання їх на одній конденсаторній комірці, що дозволяє підвищити точність і значно розширити функціональні можливості АФПК на його основі порівняно з відомими перетворювачами.

4. Запропоновані і досліджені нові класи багатофункціональних АФП - АФП на комутованих конденсаторах з використанням перерозподілу заряду, які перевершують відомі перетворювачі точністю, спрощеною реалізацією і зручністю інтегрального виконання, зокрема:

- АФПК типу логарифматор-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках, зведена похибка яких менша ніж у відомих перетворювачів і не перевищує 0,1% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10 В);

- АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на двох конденсаторних комірках, зведена похибка яких менша ніж у відомих перетворювачів і не перевищує 0,15% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10 В);

- АФПК типу N-логарифматорів-антилогарифматор на одній конденсаторній комірці, який порівняно з АФПК на двох комірках має простішу реалізацію і вищу точність, але нижчу, приблизно в 2 рази, швидкодію.

5. Найпростіший АФПК типу логарифматор-антилогарифматор може реалізувати множення, ділення, піднесення до квадрату та добування кореня квадратного у трьох різних поєднаннях.

6. Введення у схему АФПК додаткового логарифматора розширює функціональні можливості АФПК майже у два рази; причому максимальне значення показника степеня та кореня на одиницю більше від кількості логарифматорів.

7. Введення в АФПК додаткового арифметичного блоку, який виконує операції з число-імпульсним кодом, значно розширює функціональні можливості АФПК; при цьому степінь потенціювання та добування кореня визначається коефіцієнтами множення та ділення застосованих помножувача та дільника частоти імпульсів.

8. Запропоновані та досліджені нові аналого-цифрові функціональні перетворювачі на комутованих конденсаторах з вихідним сигналом у вигляді число-імпульсного коду, зведена похибка яких не перевищує 0,15% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10 В), а час перетворення практично рівний часу перетворення найповільнішого логарифматора.

9. Запропоновано удосконалення швидкодіючого аналогового ключа, яке дозволяє значно зменшити похибку від струмів витікання ключа.

10. Розроблені та досліджені математичні моделі запропонованих АФПК, які дозволяють зробити оцінку точності АФПК з урахуванням впливу паразитних факторів, зокрема:

- паразитних міжелектродних ємностей аналогових ключів, які викликають зміну ємностей дозуючого та накопичуючого конденсаторів конденсаторної комірки, проникнення напруги управління аналогового ключа в конденсаторну комірку і передачу паразитного заряду затвора аналогового ключа в конденсаторну комірку;

- струмів витікання у конденсаторних комірках;

- неідеальності компаратора;

- розузгодження ємностей конденсаторної комірки.

11.На основі розроблених математичних моделей і алгоритмів створено пакет прикладних програм для комп'ютерного моделювання запропонованих АФПК, який дозволяє оцінити похибки та характеристики перетворення проектованих АФПК з урахуванням реальних параметрів їх компонентів.

12.Результати розробок та досліджень АФПК на комутованих конденсаторах впроваджені у Львівському центрі інституту космічних досліджень НАНУ та НКАУ при розробці широкодіапазонного промислового витратоміра газу і Державному університеті "Львівська політехніка" у держбюджетних темах "Швидкодіючі перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем" і "Високоточні перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем".

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВІДОБРАЖЕНІ У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

перетворювач комутований конденсатор аналоговий

1.Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналогові функціональні перетворювачі на основі перерозподілу заряду// Міжвідомчий зб. “Вимірювальна техніка і метрологія”. - Львів: Вища школа, 1996, вип.52.- С.78-82.

Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Моделювання впливу паразитних ємностей у конденсаторних комірках функціональних перетворювачів з перерозподілом заряду// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Автоматика, вимірювання та керування”, №324, 1998.- С.25- 31.

Мичуда Л.З. Моделювання впливу струмів витікання у конденсаторних комірках функціональних перетворювачів з перерозподілом заряду// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Автоматика, вимірювання та керування”, №324, 1998.- С.143-146.

Мичуда Л.З. Найпростіший аналоговий функціональний перетворювач на комутованих конденсаторах// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Автоматика, вимірювання та керування”, №348, 1999.- С.85-89.

Мичуда Л.З. Оцінка похибок аналогових функціональних перетворювачів на комутованих конденсаторах// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Автоматика, вимірювання та керування”, №348, 1999.- С.89-98.

Заявка №96041494 Україна. Аналоговий перемножувач/ Дудикевич В.Б., Влах Г.І., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З.// Бюл. ПВ - 1997. - №4.

Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналогові функціональні перетворювачі на основі перерозподілу заряду// Праці 2-ї української конференції з автоматичного керування “Автоматика-95”.- Т.4.- Львів: НВЦ ІТІС, 1995.- С.102-103.

Мичуда Л.З. Аналоговий перемножувач типу логарифм-антилогарифм// Праці 3-ї української конференції з автоматичного керування “Автоматика-96”. - Т.1.- Севастополь: СевГТУ, 1996.- С.210.

Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналоговий багатофункціональний перетворювач на основі перерозподілу заряду// Наукові праці конференції “Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи”, ДРУКОТЕХН-96.- Львів: Українська академія друкарства, 1996.- С.115.

Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Моделювання фізичних процесів у функціональних перетворювачах на ємнісних комірках та оцінка їх точності// Thesis of international Conference MODELLING AND INVESTIGATION OF SYSTEM STABILITY. - Київ: ІВЦ Мінстату України, 1997.- С.41.

Размещено на Allbest.ru

...