CC BY
132
БайдаровС.ЮКомаровВс.В., ПаршуковМ.ЮСветловА.В.
Пензенский государственный университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
При производстве радиоэлектронной аппаратуры специального назначения необходим 100%-ный входной контроль параметров элементов, в частности интегральных операционных усилителей (ОУ) . Для принятия решения о соответствии требованиям технических условий должны быть определены следующие параметры ОУ:
- максимальные выходные напряжения ОУ положительной и отрицательной полярности (метод измерения установлен ГОСТ 23089.2-83);
- максимальные скорости нарастания и спада выходного напряжения (ГОСТ 23089.10-83);
- мощность, потребляемая в статическом режиме (ГОСТ 23089.5-83);
- коэффициент усиления постоянного напряжения (ГОСТ 23089.1-83);
- входной ток смещения (для ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах измеряется по ГОСТ 23089.4-83, для ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах используется типовое значение) ;
- частота единичного усиления (ГОСТ 23089.13-86);
- коэффициент ослабления синфазного сигнала (ГОСТ 23089.11-83);
- напряжение смещения нуля (ГОСТ 23089.3-83);
- запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления (ГОСТ 23089.16-90);
- выходное сопротивление на низких и высоких частотах (ГОСТ 23089.17-90) .
Приведенный список может быть дополнен параметрами, учитывающими специфику применения ОУ:
- при реализации схем с нормируемым отношением сигнал/шум необходимо определять шумовые параметры ОУ (ГОСТ 23089.12-86);
- при работе в широком температурном диапазоне - средний температурный дрейф напряжения смещения нуля (ГОСТ 23089.8-83) и входных токов (ГОСТ 23089.9-83) ОУ;
- при построении измерительных цепей с импульсными сигналами - время установления выходного напряжения ОУ (ГОСТ 23089.6-83);
- при построении прецизионных измерительных цепей - коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения нуля ОУ (ГОСТ 23089.7-83) .
Практическая реализация этих методов с использованием комплекта отдельных измерительных приборов постоянного и переменного тока низких и высоких частот (генераторов сигналов, вольтметров, осциллографов) требует больших затрат времени на коммутацию, настройку приборов и считывание их показаний. Такая технология применима только для выборочного исследования отдельных экземпляров микросхем и не может быть использована для массового входного контроля и отбора микросхем с заданными значениями параметров для наиболее критичных применений.
Автоматизация измерения параметров ОУ может достигаться путем создания аппаратно-программного комплекса с применением технологии виртуальных приборов фирмы Nationallnstruments [1] . За счет программного управления аппаратной частью такого комплекса обеспечивается его многофункциональность и гибкость. Программное обеспечение комплекса, кроме автоматизации процессов подготовки и проведения измерительного эксперимента, предназначено также для математической обработки и представления его результатов.
Автоматизированное измерение перечисленных выше параметров ОУ с требуемыми точностными характеристиками можно выполнить с помощью предложенного в [2] аппаратно-программного комплекса(рис. 1) на основе многофункциональной платы сбора данных NI PCI-6251. Данная плата имеет в своем составе ЦАП и АЦП, а также микроконтроллер, способный формировать и обрабатывать цифровые сигналы. Функциональные возможности платы расширены за счет применения внешних высокоскоростных и высоко -частотных модулей обработки сигналов.
Все измерения в данном комплексе производятся с использованием трех измерительных каналов:
- канал прямых измерений (сигналы выводятся с платы сбора данных и вводятся в нее с возможно -стью масштабирования);
- канал высокочастотных измерений, содержащий генератор гармонических сигналов, управляемый кодом и амплитудный детектор);
- канал высокоскоростных измерений, содержащий генератор импульсных сигналов и измеритель интервалов времени.
Рисунок 1 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса для измерения параметров операционных усилителей
Генератор гармонических сигналов, реализованный на основе синтезатора прямого синтеза (DirectDriveSynthesizer) позволяет проводить более быструю перестройку по частоте по сравнению с используемым в [1] генератором управляемым напряжением. При допустимом уровне искажений выходного сигнала данный генератор обеспечивает высокую точность установки и поддержания частоты выходного сигнала. Диапазон частот применяемого генератора от 0,1 Гц до 75 МГц. Для управления генератором использована универсальная шина передачи данных (UnitedSerialBus - USB), что позволяет сократить количество используемых цифровых портов платы сбора банных, тем самым высвободив ресурсы для процесса измерения.
Измеритель интервалов времени, необходимый для измерения скорости нарастания и спада выходного напряжения исследуемого ОУ, реализован на основе аналогового преобразователя длительности интервала времени в напряжение. Это позволило упростить процесс передачи данных от измерителя в программу обработки результатов, а также сократить количество быстродействующих элементов схемы без потери точности измерения.
Амплитудный детектор выделяет огибающую сигнала с выхода измерительной схемы и с достаточной точностью фиксирует относительное изменение его амплитуды. Он подключен к входу АЦП платы Nl PCI-6251.
Формирование импульсных сигналов возможно при использовании цифровых линий и схемы на быстродействующих транзисторных ключах. При этом достигнутая длительность фронтов импульсов составила 20 нс.
Для управления комплексом разработана система на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и моста USB-FiFO. Она позволяет осуществлять управление элементами схемы комплекса из программной оболочки. Основным преимуществом такого решения является то, что для управления комплексом используется лишь один порт шины USBа следовательно и один четырехжильный кабель. В ПЛИС расположена таблица раскодирования команд управления для каждого из устройств схемы .
Таким образом, удалось автоматизировать управление перестраиваемым источником питания исследуемого ОУ, ввести в схему программно управляемыймасштабатор (для согласования диапазона входного напряжения платы и диапазонов выходных напряжений измерительных преобразователей), а также осуществить прочие функции управления комплексом в целом.
Полученная структура аппаратной части комплекса позволяет произвести автоматизированное измерение следующих параметров ОУ:
- максимальные выходные напряжения положительной Voutp и отрицательной Voutm полярности;
- максимальные скорости нарастания SRp и спада SRm выходного напряжения
- потребляемая мощность в статическом режиме Pd ;
- входной ток смещения Ib и разность входных токов смещения Ibos для ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах;
- коэффициент усиления постоянного напряжения Avdc ;
- частота единичного усиления fQdB ;
- коэффициент ослабления синфазного сигналаCMRR ;
- запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления Phi ;
- выходное сопротивление на низких Rodc и высоких Roacчастотах.
Весь комплекс измерений реализован с помощью виртуальных приборов, разработанных в среде графического программирования LabVIEW. Кроме управления режимами измерений, программная частьвыпол-няет автоматизированную обработку результатов измерений параметров ОУ. В соответствии с предложенной авторами методикой [3] предусматриваются следующие этапы обработки:
1. Ввод измеренных значений параметров ОУ и исходных данных, задаваемых пользователем.
2. Принятие решения о соответствии (или несоответствии) исследуемого экземпляра ОУ требованиям технических условий с индикацией соответствующего сообщения на экране монитора.
3. Выдача сообщения о принадлежности данного ОУ к той или иной группе рассортировки по измеренным значениям параметров
4. Создание паспорта исследуемого экземпляра ОУ в виде выходного файла в текстовом формате и в распечатанном на бумаге виде.
5. Расчет макромодели исследуемого экземпляра ОУ и создание её текстового описания в виде выходного компьютерного файла в формате, принятом в Spice-совместимых программах схемотехнического моделирования (PSpice, OrCAD, Multisim, и др.).
Ниже приведена блок-схема (рис. 2)алгоритма функционирования аппаратно-программного комплекса (АПК),устанавливающего порядок взаимодействия оператора и АПК.
На начальном этапе производится подготовка АПК к работе. Эта процедура проводится автоматически и включает в себя запуск аппаратной части и программной оболочки, управляющей комплексом. Также на данном этапе производится самотестирование аппаратной части комплекса. Для этого производится сквозное тестирование измерительных каналов, при котором сигналы с выходов формирователей поступают в каналы обработки. Если все параметры измерительных каналов в норме, то программа переходит к выполнению следующих функций. Если имеются отклонения параметров системы, то работа комплекса останавливается, формируется код ошибки, выключается питание аппаратной части и выдается сообщение об ошибке, в соответствии с которым оператор может устранить неисправность.
На следующем этапе оператору предлагается ввести данные об исследуемом ОУ. При вводе наименования ОУ автоматически производится поиск в базе данных всех требуемых параметров ОУ. Если операционный усилитель отсутствует в базе данных, то оператору необходимо ввести типовые параметры ОУ самостоятельно. При этом информация об ОУ данного типа будет автоматически добавлена в базу данных. Последующее редактирование базы данных по ОУ возможно с применением редактора MicrosoftExcel.
Затем оператором из предложенных программой измерительных задач выбирается та, которая необходима в данный момент. Например, может быть выбрана задача «Произвести разбраковку ОУ по выбранным критериям». Получив подтверждение выбора задачи, АПК приступает к циклу измерений параметров. Индицируется сообщение «Установите исследуемый ОУ в тестовую панель, используя переходную плату № ... и подтвердите завершение установки ОУ нажатием кнопки» (номер переходной платы выбирается
программой из базы данных в зависимости от расположения выводов исследуемого ОУ с учетом числа усилителей в корпусе микросхемы).
Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма функционирования АПК
После подтверждения готовности ОУ к измерениям на него подается питание. Для обеспечения безопасной работы АПК и оценки целесообразности дальнейших измерений производится проверка работоспособности исследуемого ОУ. Контролируется ток потребления ОУ и напряжение смещения нуля. Если названные параметры не соответствуют допустимым, то отключается питание ОУ и индицируется сообщение о том, что ОУ не пригоден для дальнейших измерений. В случае подтверждения работоспособности ОУ программа также выключает питание ОУ и переходит к автоматизированному процессу измерения.
Процесс измерения параметров происходит циклически. На каждом витке цикла выполняется следующая последовательность операций:
- коммутация измерительной схемы;
- включение питания исследуемого ОУ;
- управление активными элементами измерительной схемы (например генератором гармонических сигналов или формирователем прямоугольных видеоимпульсов);
- измерение параметров;
- регистрация результатов;
- выключение питания ОУ;
- обработка результатов измерений.
В цикле выполняются измерения и производится сбор их результатов, на основе которых рассчитываются параметры операционного усилителя. После того, как все необходимые измерения будут выполнены и произведены расчеты, формируется паспорт данного экземпляра ОУ, содержащий измеренные зна-
чения его параметров. Порядок следования экспериментов предполагает последовательное переключение от одной измерительной схемы к другой, при этом эксперименты группируются по типу измерительной схемы.
Если при выборе измерительных задач оператором был отмечен пункт «Произвести разбраковку по параметрам», а также выбраны критерии и параметры разбраковки, то будет произведено сравнение каждого измеренного параметра с установленными допустимыми значениями и сделан вывод о принадлежности данного экземпляра ОУ к той или иной группе разбраковки. Это позволит произвести отбор микросхем для наиболее критичных применений.
Далее внешний цикл возвращается к пункту установки исследуемого ОУ в тестовую панель. Внешний цикл повторяется до тех пор, пока не будет протестировано необходимое количество ОУ, и пока оператор не нажмет кнопку «Остановить тестирование» на лицевой панели виртуального прибора.
После проведенных измерений оператором может быть выбрана функция автоматизированного создания макромодели. Макромодель будет создана для отмеченных оператором номеров экземпляров измеренных ОУ. Данная функция позволит произвести моделирование работы устройства, используя макромодель ОУ с реальными характеристиками.
На завершающем этапе производится регистрация параметров измерительной системы (повтор теста описанного в начале алгоритма), выключение питания узлов устройства и запись отчета о работе комплекса. На этом работа программы завершается.
Исследования разработанного аппаратно-программного комплекса показали возможность измерения перечисленных выше статических и динамических параметров ОУ с точностными характеристиками, отвечающими требованиям ГОСТ 23089.0-78 (погрешность измерений параметров ОУ в статическом режиме в пределах ±5%, а в динамическом - в пределах ±10%).
ЛИТЕРАТУРА
1. Расширение функциональных возможностей платы сбора данных для автоматизированного измерения параметров операционных усилителей и создания по измеренным параметрам их макромоделей / С. Ю. Байдаров, М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, И. В. Ханин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии Nationallnstruments: 1ХМеждународ. научно-практ. конф. - М.: Изд-во РУДН, 2010.
2. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированного контроля параметров операционных усилителей / С. Ю. Байдаров, А. В. Светлов, Вс. В. Комаров, М. Ю. Паршуков // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments - 2011: Сборник трудовХМеждународной научно-практической конф. - М.: ДМК-пресс, 2011.
3. Методика обработки результатов измерений параметров операционного усилителя / А. В. Светлов,
С.Ю. Байдаров, Вс.В. Комаров, М.Ю. Паршуков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 4.
