Введение к работе
Актуальность. Основными направлениями экономического и социального развития государства определена необходимость дальнейшего совершенствования средств информационно-измерительной техники, внедрения автоматизированных систем- в средства измерений и контроля, создания автоматизированных измерительных систем (АИС), применяемых при изготовлении и испытании изделий электронной техники и радиотехнической промышленности. Анализ отечественных и зарубежных источников по вопросам проектирования автоматизированной контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающей контроль и измерение параметров БИС, СБИС и ССБИС, показывает, что проблема создания методов и систем контроляь сочетающих в себе такие свойства, как высокое быстродействие, многоканальность, прецизионность и универсальность, в настоящее время актуальна. При испытаниях скоростных БИС системы контроля должны работать в субнаносекундной области при максимальных частотах до 1-2 ГГц. Точность задания и измерения параметров тест-сигналов должна быть высокой для увеличения достоверности контроля и уменьшения затрат при производстве. Из известных методов требованшш, приведенным выше, практически полностью удовлетворяют фазовые методы, основанные на системах фазовой синхроштации (СФС):
обладают максимальной чувствительностью, достигнутыми точностью н минимальным дискретом;
системы фазовой автоподстройки частоты обладают свойством по-"' давления фазовых шумов;
системы автоподстройки фазы позволяют получить сигнал рассогласования практически с любой точностью в пихосекундном диапазоне времен и в любой области частот;
не имеют ограничений по частотному диапазону, а по-динамическому диапазону полностью перекрывают все технолог, и изделий электронной промышленности.
В последние годы разрабатывается перспективное направление построения на основе СФС автоматизированных систем контроля. Одной из основных структурных единиц таких систем является подсистема синхронизации, в которой с помощью генератора-калибратора фазы (ГКФ) задаются временные соотношения сигналов во всех каналах. Поэтому задача разработки быстродействующих прецизионных ГКФ, позволяющих достичь высоких технических параметров АИС, наиболее актуальна.
Цель работы - повышение точности задания и скорости установхи угла фазового сдвига в широком диапазоне частот в генераторах-калибраторах фазы, разработка ГКФ с улучшенными технико-экономическими показателями для использования в подсистемах синхронизации быстродействующих автоматизированных измерительных систем. Решение этих задач осуществляется с использованием фазовых методов воспроизведения угла фазового сдвига на основе многоканальных систем фазовой синхронизации, в частности, сисгем фазовой автоподстройки .частоты (ФАПЧ).
Задачи исследовании:
анализ методов, позволяющих осуществить воспроизведение угла фазового сдвига в широком диапазоне частот, определение возможностей использования их при разработке ПСФ; ч
разработка методов воспроизведения угла фазового сдвига на основе использования многоканальных систем ФАПЧ;
разработка ГКФ с возможностью автоматизации установки угла фазового сдвига, позволяющих повысить разрешающую способность и быстродействие надання фазовых сдвигов сигналов в широком диапазоне частот и обеспечивающих возможность использования их в подсистемах синхронизации быстродействующих АИС;
анализ составляющих суммарной погрешности фазовых методоз воспроизведения угла фазового сдвига, предельного быстродействия ГКФ, созданных на их основе, определение условий их минимизации;
практическая разработка и внедрение экспериментальных образцов ГКФ для решения актуальных задач измерительной техники.
Методы исследований. Для теоретических исследований применялись математические методы функционального анализа, теории цепей и сигналов, разностных и обыкновенных дифференциальных уравнений, теории колебаний, статистической радногехники, аналитического и численного моделирования на ЭВМ, параметрической оптимизации. Экспериментальные исследования проводились на базе разработанной аппаратуры по утвержденным в СНИИМ методикам технических испытаний и путем сличения с образцовыми средствами измерений в органах Госстандарта.
Научная новизна работы закльчается в следующем:
- предложены новые способы построения ГКФ на различные диапа
зоны частот, позволяющие осуществить автоматизированное задание угла
фазового сдвига, повысить точность задания и скорость переустановки фа
зовых сдвигов при улучшении технико-экономических показателей;
разработан способ, обеспечивающий устранение неоднозначности остановки начального фазового сдвига в ГКФ;
предложены методы построения подсистем синхронизации быстро-^йствующнх АИС, использующие разработанные структуры ГКФ и позволяющие существенно повысить тактовые частоты и точность задания (ременных параметров тест-сигналов;
применен метод анялпьа преобразователей частоты в СФС, бази-зугащийся на нестандартной методике и алгоритме решения нелинейных дифференциальных уравнений (НДУ) с помощью функциональных рядов Золътерра-Винера, позволяющих существенно сократить объем вычисле-шй;
для анализа СФС с запаздыванием применен метод асимптотиче-жого разложещія в ряд по малому параметру решений сингулярно возму-денных дифференциальных уравнений, обеспечивающий высокие точности інализа при Пут, , где Пу полоса удержания системы ФАПЧ, т3 - сум-
ifарная задержка сигнала в цели регулгреваяия;
- предложены аналитические зависимости и рекомендации по пара
метрической оптимизации непрерывных и импульсных СФС с преобразо-
їаннем частоты.
Практичесісая ценность работы заключается в том, что:
разработаны структуры, позволяющие строить ГКФ с прецизнон-юп установкой угла фазового сдвига в диапазоне частот от десятков герц Ю единиц гигагерц;
разработан, прошел метрологическую аттестацию в органах Гос-ландарта и внедрен на предприятии заказчика генератор калиброванных зігналов ГКС-01, позволяющий синтезировать слоасые сигналы с калиброванной регулировкой угла сдвига фаз, временного интервала и коэффициента гармоник, с точностями в 1,5-2 раза превышающими точности из-зестных приборов;
в ходе выполнения хоздоговорной темы № 362 создан комплексный ГКФ с разрешающей способностью 0-,0036 в диапазоне выходных частот ),1-Ю МГц для управления лучом электронного микроскопа, генератор до-ієдєн до опытного образца, проведена ОКР;
разработан класс структур ГКФ, позволяющих строить подсистемы лгахронизации быстродействующих АИС;
. - получены результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде расчетных формул и графиков для инженерного расчета основных элементов ГКФ с калиброванной регулировкой угла фазового сдвига.
Реализации результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при разработке образцов ГКФ и отдельных узлов комплексных синтезаторов сигналов. Прибор ГКС-01 прошел метрологическую аттестацию в НПО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" и внедрен на предприятии п/я В-2077 с расчетным экономическим эффектом около 7 тыс. руб. в цепах 1988 года. При выполнении хоздоговорной темы №319 был разработан и изготовлен гетеродин трехсантиметрового диапазона для синхронного приемного устройства аппаратуры специального назначения, разработан образец быстродействующего широкополосного синтезатора частот диапазона 1-2 ГГц с шагом но частоте 0,1 МГц и временем переключения не более 10 мкс. В настоящее время проводятся работы по доведению изделия до уровня, пригодного для серийного производства. Для генераторного канала системы динамического функционального контроля хоздоговорной темы 350-НПУ на основе предложенных структурных схем ГКФ разработана подсистема синхронизации на диапазон частот до. 1024 МГц с минимальным дискретом фазового сдвига 0,05625, что соответствует временному интервалу 125 пс. Разработан автоматизированный генератор импульсов с нормированными параметрами, позволяющий раздельно задавать положение фронта, среза тест-импульсов в диапазоне частот 0,1-10 МГц с шагом по частоте 0,1 МГц с дискретом задания фазового сдвига 0,0036" и дискретом задания временного интервала 100 пс с погрешностью не более 30 пс.
Основные положении, иыпоашые на защиту:
-
Принципы построения и структурные схемы ГКФ на основе СФС и фазовых методов воспроизведения сигналов с калиброванной регулировкой угла фазового сдвига в широком диапазоне частот, позволяющие повысить быстродействие и точность, уменьшить дискрет задания фазового сдвига.
-
Результаты исследования влияния инерционностей и задержек сигналов в элементах ФАПЧ по вторичным биениям на их динамические свойства, позволяющие повысить точность расчета полосы захвата и времени переходных процессов в диапазоне ОВЧ/УВЧ.
-
Результаты теоретического анализа погрешностей регулировки угла фазового сдвига, доказывающие высокие потенциальные возможности и перспективность использования фазовых методов и систем ФАПЧ при воспроизведении сигналов с калиброванными значениями фазового сдвига в широком частотном диапазоне и используемые при расчете основных элементов предложенных структур ГКФ. .
4. Технические решения устройств воспроизведения угла фазового сдвига, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение, а также аппаратурная реализация ПСФ и устройств на их основе, аттестованных в органах Госстандарта и внедренных на промышленных предприятиях.
Апробация работы. Материалы рабагы докладывались и обсуждались на: 5-м Международном симпозиуме в Гааге "Personal, Indoor, and Mobile Radio CommunicaL'ons" (Нидерланды, 1994); Международном симпозиуме в Москве "Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation" (Россия, 1996); Международных научно-технических конферащиях: АПЭП-92 (Новосибирск, 1992), "Нанотехнолопш, наноэлектроиика и криозлектроішка" (Барнаул, 1992), "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1995), "Информационные технологии и радиосети - 96" (Омск, .1996); Всесоюзных научно-технических конференциях: "Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи" (Горький,' і 988), "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1986,1990), "Современные проблемы фазоизмерительной техники и её применение" (Красноярск, 1989), "Оптнко-электрошпле измерительные устройства и системы" (Томск, 19S9), "Контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры" (Пенза, 1990), "Повышение качества и эффективности устройств синхронизации в системах связи" (Ярославль, 1993), "Стабилизация частоты" (Москва, 1986), "Направления развития систем н средств радиосвязи" (Воронеж, 1996); Всесоюзных'совещаниях: " Координатно-чувствшхльные фотопрнемники и оптшо-электропные устройства на их основе" (Барнаул, 1987), "Точные измерения электрических величин; переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига" (Лешшград, 1985, 1983); Всесоюзных научных сессиях: "Измерения в радиотехнике и электронике" (Москва, 1991), "Прикладные проблемы информационных технологий" (Москва, 1994), "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" (Москва, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе: 2 статьи в центральной печати, 3 авторских свидетельства на изобретение, 1 сообщение в журнале "Приборы и техника эксперимента", 1 депонированная рукопись, 3 статьи в межвузовских сборниках научных трудов, 3 статьи В сборниках трудов научно-технических конференций, 27 тезисов докладов на научно-технических конференциях и совещаниях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём диссертации 163 с, в том числе 111с. основного текста, 52 рис. на 31 с. Список литературы состоит из 92 наименований на 11 с.