CC BY
14
УДК 621.317.799:621.3.049.771
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Н.С. Жилин, В.А. Майстренко. А.В. Никонов Омский государственный технический университет
Many-functional automatized pulse system of standardized signal is able to realise precise measurement and generating coherent pulse signals delayed relatively to main pulse signal in ps range and can be used in automatized circuit testes and diagnostic systems.
При производстве изделий электронной техники (ИЭТ) совершается значительное число измерительных и контрольных операций - 30-40 % от числа технологических. Их трудоемкость и стоимость составляют 40-60 % от стоимости всего производства, что предъявляет особо жесткие требования к автоматизированным измерительным системам (АИС) для скоростных ИЭТ частотного диапазона до 1-3 ГГц и выше и пикосекундного диапазона временных соотношений. При функциональных и параметрических исследованиях генерируются тестовые воздействия в определенные интервалы времени, задаются временные характеристики тест-сигналов, проводятся амплитудно-временные и логические измерения. Для параметрических исследований обеспечивается регулировка напряжения и тока в нагрузке, длительности фронта и среза, положения фронта и среза во времени.
Указанные выше АИС, производимые и вновь разрабатываемые в нашей стране и за рубежом, не имеют обоснованной концепции развития, излагающей принципы построения в приведенном частотном диапазоне и обеспечения временных параметров, устанавливаемых и измеряемых с разрешающей способностью и погрешностью не более 100 пс, В то же время достижения мирового уровня в области электронной техники позволили создать экспериментальные изделия, работающие в диапазоне частот до 20-70 ГГц, что подчеркивает актуальность поисковых работ по построению АИС электронной промышленности фемтосекундного диапазона.
В излагаемом ниже материале содержатся сведения об основных проблемах, возникающих при достижении указанных целей, а также возможные пути их решения и оценка полученных результатов. Выделены задачи для исследований, в основу решения которых положено использование фазового ядра в архитектуре, так как такие системы не будут иметь ограничений по частотному параметру [1].
Подсистемы АИС должны удовлетворять противоречивым требованиям: широкополосности. прецизионности, многоканальности, а зачастую и универсальности. Точность установки и измерения амплитудно-временных параметров важна в экономическом смысле: для соответствия объекта техническим условиям следует установить предельные опорные значения с учетом
£
Подсистема управления *
Подсистема формирования
тесг-сигнала
-Г"
Интерфейсно-контактный блок
1—Г
Объект исследований
1
Подсистема оценки отклика
-т
Подсистема временной коррекции
* Подсистема синхронизации
Подсистема метрологической аттестации и поверкп
Рис.1. Обобщенная структура AMC
погрешности. Больше погрешность - больше "запас", учитывающий погрешность, и большее число годных изделий отбраковывается в процессе испытаний. Подсистемы управления должны обеспечивать быстрое автоматизированное формирование тестовых последовательностей по вводимым программам: генерация тест-векторов должна удовлетворять ограничениям по максимальной тактовой частоте, минимальному объему памяти и потребляемой мощности, обеспечить требование многоканальности АИС. Такие методы, как расслоение памяти, мультиплексирование из нескольких каналов в один, требуют поиска решений применения их в УВЧ диапазоне. На основе комбинированного метода ("расслоение памяти" и преобразование данных из параллельного кода в последовательный) реализован генератор тест-последовательности (ГТП) в диапазоне 32-1024 МГц. В качестве памяти ГТП используется часть адресного пространства управляющего контроллера, что исключает
пересылку данных из ОЗУ контроллера в ОЗУ ГТП. в три и более раз повышая скорость загрузки канала. При определенной комбинации ОЗУ ГТП и обслуживании 4-8-ми каналов одним контроллером можно реализовать непрерывную тест-последовательность на частоте 1024 МГц без перезагрузки. Это компромисс между требованием ОЗУ большой емкости и быстрой перезагрузкой, не приводящей к перерывам в генерации в отличие от известных способов.
На подсистему синхронизации возлагаются следующие задачи: 1 - обеспечение работы в широкой полосе тактовых частот: 2 - обеспечение требуемой точности установки временных параметров тест-сигнала; 3 - максимальная частота переустановки амплитудных и временных параметров. Вторая задача распадается на три: минимизация систематической составляющей погрешности (не более 5 % от периода тактового сигнала): минимизация случайной составляющей погрешности (не более 20 % от систематической составляющей): минимальный временной дискрет - 10 % от периода сигнала в области УВЧ-СВЧ. Увеличение числа выводов ИЭТ (до 1024 шт.) при числе скоростных каналов от шести до шестидесяти четырех ставит проблему многоканальное™: взаимного влияния каналов, проявляющегося в фазовой модуляции их сигналов и возрастании случайной составляющей погрешности установки временных параметров. Возникают задачи электромагнитной и конструктивной совместимостей в диапазоне частот (с учетом длитель-ностей фронта и среза сигналов) до десятков гигагерц.
Решение указанных задач основано на расширении возможностей синтезаторов частоты (СЧ) УВЧ диапазона на основе ФАПЧ [2] за счет предвключения мелкодискретных синтезаторов фазы (СФ). СФ используют блокировку прохождения сигналов в импульсных последовательностях в каналах СФ. Дискрет временного сдвига при блокировке к-импульсов в одном и р-импульсов в другом канале определяется выражением
тсд = {[(к-р)М + к] / N(N-1)}! ,
где Ти N - период сигнала и коэффициент деления в канале опорного генератора СФ. Перенос временного (фазового) сдвига на сигнал требуемой частоты производится с помощью СЧ. Данный метод позволил осуществить генерацию импульсных последовательностей с частотами следования в диапазоне 0,1-1024 МГц с минимальным дискретом задания положения фронтов импульсов не более 100 пс. СКО временного положения фронта не превышает 35 пс при поведении параметрической оптимизации колец ФАПЧ [3].
Точностные и динамические характеристики систем ФАПЧ с гетеродинным преобразователем частоты получены из решения дифференциального уравнения вида
РФ + з1дп[о)оэ +Р(ф) Оу ] Кэ(р)ОуР(Ф) =
= Шог - 0)оэ 5|дп[о)оэ Р(ф)] ,
где Пу - полоса удержания системы: Р(ф) - характеристика фазового детектора (ФД): sign х - знаковая функция аргумента х; Кэ(р) - операторный коэффициент передачи эквивалентного фильтра на выходе ФД, образованного последовательным соединением ФНЧ и низкочастотного эквивалента фильтра промежуточной частоты: Wor3-начальная частота эквивалентного генератора с частотой Wra = Wc - Wra-; Wor - частота опорного генератора, равная промежуточной; wc. wnr - частота входного сигнала и ПГ соответственно.
Наличие внутренних шумов и шумов в сигнальном тракте приводит к флуктуационным колебаниям фазы вблизи точек устойчивого равновесия и переходам из одного устойчивого состояния в другое. Для случая, когда время корреляции шумов тк меньше постоянной времени ФАПЧ. составлено и решено уравнение Фоккера-Планка для плотности вероятности \/\/(ф) координаты ф. Дифференциальный закон распределения фазы -двухмодальный с максимумами в точках, соответствующих захвату на основной и зеркальной частоте. Практический интерес представляют вероятности pi и рг перехода фазовой координаты в области притяжения точек фт и фсг. Получены значения вероятностей пребывания фазы j в областях притяжения точек фо1 и фог при различных начальных расстройках Д и различных отношениях сигнал/ шум q. Чтобы система находилась в точке устойчивого равновесия с вероятностью не ниже 0,9, необходимы либо большая начальная расстройка соответствующего знака (|Д|>0.24). либо большое отношение сигнал/шум (q>10). Получены выражения для расчета вероятности перескоков фазы ПГ на дискрет за счет действия внутренних широкополосных шумов кольца:
Pi = (0)н/8й)у)*{1+ [1+(8/7i)QyT]1/2}.
Подсистема оценки сигнала отклика решает задачи по параметрическому и динамическому функциональному контролю. Необходимо фиксировать точку сигнала-отклика на интервале в один такт, несущую информацию о мгновенном значении сигнала. Добавляется проблема задания временного положения строб-сигнала. Требования к временным параметрам такие же, как и у подсистемы синхронизации. Погрешность подсистем контроля отклика, в зависимости от назначения, находится в пределах от 1 до 20 %. Системы ФАПЧ с инерционными фильтрами на выходе ФД при воздействии на управляемый генератор импульсного напряжения являются идеальным интегрирующим звеном, что позволяет сделать вывод о возможности их использования в целях измерения мгновенных значений напряжений импульсных сигналов. Можно построить преобразователь "мгновенное значение - временной интервал - код", в котором блок синхронизации осуществляет привязку к исследуемому сигналу, а схема управления устанавливает момент фиксации значения сигнала u(t). который воздействует на управляющий элемент системы ФАПЧ. находящейся в режиме синхронизма. Приращение фазы Дфпг подстраиваемого генератора при крутизне управления S
определяется следующим образом:
И-т
ДФпг = 8уэ }и(0ё1,
(
где 1 - длительность интервала фиксации. По окончании воздействия выборки фазовый сдвиг Дер™ отрабатывается (Дфпг=>0 ), причем Дфпг также определяется параметрами системы ФАПЧ. Процесс в системе можно описать уравнением
ТфР2 Дф + рДф + ПуР'(ф)Дф = О,
где Тф- постоянная времени фильтра: Оу- полоса удержания кольца ФАПЧ; Р'(ф) - производная нормированной характеристики ФД.
При 4ТффуР'(]о)<1 в системе апериодический процесс отработки и связь между мгновенным значением иШ и интервалом Д1 на выходе аналогового преобразователя находится по выражению
Д1 = -Тс 1п{ип /и(0[ехр(-1/Тс) -1]},
где ип - пороговое напряжение, на уровне которого определяется величина Д1; Тс - постоянная времени кольца ФАПЧ.
Данное решение позволяет резко уменьшить время аналого-цифрового преобразования при сохранении точности. Найдены значения функции ДфО) при значениях параметров: 1 = 100 МГц: Тф= 10 мке: т = 0,1: Р'(фо) = 1. При этом значения коэффициентов следующие: Г1= - 8,6x10-5 : гг = - 6,2х10"7 (рис. 2). Подсистема коррекции электрической длины каналов отрабатывает неидентичность задержек за счет компонентов системы. Погрешность отработки не более 0,1 % от периода тактового
Рис.2. Длительность переходного процесса и отклонение фазы в системе ФАПЧ__
сигнала. Фазовое ядро архитектуры позволяет осуществить метрологическую аттестацию и поверку посредством подсистемы синхронизации, являющейся образцовым средством.
Практическая направленность исследований: увеличение точности хронирования: гибридные и интегральные формирователи, компараторы: цифровые и аналоговые управляемые задержки; задание и измерение амплитуды тест-сигнала, отклика; САПРдля проектирования многослойных печатных плат с микрополосковыми линиями; увеличение диапазонности систем ФАПЧ: метрологическая аттестация генераторного канала и подсистемы контроля отклика.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жилин Н.С., Майстренко В.А.. Никонов A.B. Проблемы создания АИС с интегрированными метрологическими средствами// Цифровые радиотехн. сист. и приборы: Межвузов, сб./ Красноярск. 1996,- С. 151-156.
2. Система динамического контроля функционирования сверхскоростных ИС // Н.С.Жилин, В.А. Майстренко. A.B. Никонов, K.P. Сайфутдинов // Приборы и системы управления. 1991. - N 3. - С. 22-23.
3. Синтезаторы фазы и частоты УВЧ диапазона на основе систем ФАПЧ/ В.А. Майстренко, A.B. Никонов. H.A. Попов, K.P. Сайфутдинов // Направления развития систем связи: Тр. Российской НТК/ Воронеж, 1996.-ТЗ. - С. 1173-1179.
