CC BY
3Разработка генератора. Основная трудность при создании данного генератора помимо обеспечения требуемых точностных и динамических характеристик - необходимость достижения максимальной помехозащищенности выходных сигналов от шумов собственных цифровых схем и схем вторичного питания, помех от управляющего персонального компьютера (ПК), а также от взаимных наводок выходных каналов.
Особенностью разработки многоканального прецизинонного генератора аналоговых сигналов является использование волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) между ПК и устройством. Высокие технические характеристики изделия достигнуты благодаря применению современной доступной элементной базы иностранного производства, что вполне допустимо при создании стендового и вспомогательного технологического оборудования.
Основные заданные технические характеристики генератора:
Число каналов...................................................................................................до 12
Диапазон выходного напряжения.................................................................±10 В
Разрядность ЦАП...........................................................................................20 бит
Время установки ЦАП.....................................................................................1 мкс
Разрядность аттенюатора..............................................................................4 бита
Время установки выходного напряжения.....................................................2 мкс
Общий динамический диапазон...................................................................144 дБ
Погрешность установки нуля на выходе..................................не хуже 0,0002 %
Длина линии связи............................................................................не менее 1,5 м
Габаритные размеры основного блока......................................420 x 290 x 42 мм
Масса....................................................................................................не более 3 кг
Управление генератором в реальном времени осуществляется с помощью ПК. Для организации интерфейса между ВОЛС и ПК разработана специальная карта расширения для шины PCI express (PCI-E) ПК, структурная схема которой представлена на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема карты расширения PCI express
В состав карты PCI-E входят следующие основные блоки: источник питания (DC/DC), программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) FPGA серии Spartan 6 XC6SLX45T компании Xilinx, имеющая встроенный последовательный трансивер [3, 4], загрузочная память FLASH для FPGA, микроконтроллер MCU, выполняющий контроль напряжений питания схемы, контроль и управление загрузкой FPGA. В качестве SFP (Small Form Factor Pluggable) трансивера используется модуль FTLF8519P3BTL компании Finisar [5]. Модуль позволяет обеспечить двунаправленный обмен данными со скоростью до 2,125 Гб/с.
Структура основного конструктивного блока изделия - блока цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) представлена на рис.2.
Рис.2. Структурная схема основного блока ЦАП
Основная плата ЦАП (DAC Main Board) осуществляет коммуникационные функции с платой расширения PCI-E и соответствующее управление непосредственно модулями ЦАП (DAC Module). На рис.2 показано 10 каналов. Вторичное питание основной платы формируется модулем Power Supply Module. Первичное питание +12 В формируется стандартным сетевым адаптером (AC/DC Adapter). Основная плата, модули ЦАП и модуль вторичного питания располагаются внутри единого корпуса. Между собой эти устройства разделены металлическими экранами для увеличения помехозащищенности модулей ЦАП.
Упрощенная структура основной платы ЦАП представлена на рис.3.
В состав платы входят следующие основные блоки:
- микросхема FPGA, выполняющая основные задачи по приему данных от оптоволоконного приемопередатчика SFP, декодирование принятых данных и управление модулями ЦАП;
- загрузочная память FLASH для FPGA;
- микроконтроллер MCU, выполняющий контроль напряжений питания схемы, контроль и управление загрузкой FPGA, управление схемой калибровки на основе аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- порты RS-232 и USB для облегчения отладки;
- разъемы DAC Connectors, используемые для подключения модулей ЦАП.
Формирование начальных питаний осуществляется платой вторичного источника
питания (Power Supply Module на рис. 2) и встроенными линейными стабилизаторами самой основной платы (на рис. 3 эти компоненты объединены под названием Power Supply Module).
Рис. 3. Структурная схема основной платы ЦАП
Так же как и в карте расширения, в качестве FPGA используется микросхема XC6SLX45T компании Xilinx, имеющая встроенный последовательный трансивер.
Для обеспечения возможности калибровки нулевого значения напряжения на выходах модулей ЦАП на основной плате предусмотрен биполярный АЦП (ADC) с разрядностью 20 бит.
Структура одного модуля ЦАП в упрощенном виде представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема модуля ЦАП
Сигналы цифрового управления от входа Ш поступают на соответствующие входные линии микросхемы ЦАП (DAC) ЛВ5791 [6]. Микросхема выполняет 20-битное преобразование в диапазоне ±10 В. Опорное напряжение +5 В формируется источником Е1. Далее это напряжение преобразуется в опорное напряжение +10 В усилителем и1 и в напряжение -10 В усилителем Ц2. Выходное напряжение DAC через буферный повторитель из поступает на схему аттенюатора, выполненного на основе резистивной матрицы Я-2Я и ключей К1-К5. Аттенюатор позволяет получить 17 градаций коэффи-
циентов усиления выходного напряжения: 0, 1/16, 2/16, 3/16, ..., 15/16 и 1. Таким образом, суммарная разрядность преобразования модуля ЦАП составляет 24 бита.
Результаты измерения характеристик выходных сигналов представлены в таблице.
Характеристики выходных сигналов
Параметр Обозначение Значение
параметра
Суммарная разрядность преобразования модуля ЦАП Ndac 24 бита
Диапазон выходных напряжений Uout ±10 В
Напряжение смещения нуля без калибровки, типо- Uerr typ 0,82 мВ
вое значение при 25°С
Напряжение смещения нуля без калибровки, макси- Uerr max 1,2 мВ
мальное значение при 25°С
Напряжение смещения нуля после калибровки, мак- Uerr cl 19 мкВ
симальное значение при 25°С
Ошибка полной шкалы Sfs 0,0275 %
Погрешность аттенюатора Satt 0,09 %
Интегральная нелинейность ЦАП (при фиксированном коэффициенте ослабления аттенюатора) INE 0,0001 %
Дифференциальная нелинейность ЦАП (при фиксированном коэффициенте ослабления аттенюатора) DNE 0,0001 %
Время установки ЦАП при фиксированном коэффициенте ослабления аттенюатора (10-вольтовый шаг с ¿DAC 1 мкс
точностью установки 0,02%)
Максимальная постоянная времени установки атте- Tatt 0,3 мкс
нюатора
Максимальное время установки аттенюатора при фиксированном напряжении на выходе ЦАП для
достижения точности установки 3,5 % 0,1 % 0,02 % tatt(3,5%) tatt(0,1%) tatt(0,02%) 1 мкс 2,1 мкс 2,6 мкс
Нагрузочная способность выхода модуля ЦАП ^out ±35 мА
Выходное сопротивление модуля ЦАП rout 10 Ом
Спектральная плотность напряжения шума на выхо- eout 16 нВ /д/Гц
де модуля ЦАП
Заключение. Рассмотренный 12-канальный 24-битный генератор аналоговых сигналов доведен до уровня опытных образцов, успешно прошедших лабораторно-стендовые испытания. Разработано тестовое и рабочее программное обеспечение.
Литература
1. Соловьев А.Н., Алексеев В.Е., Саблин А.В. Построение навигационной инерциальной системы на основе распределенного множества полупроводниковых акселерометров // Изв. вузов. Электроника. -2012. - № 4 (96). - С. 73-79.
2. Крыликов Н.О., Плавич М.Л. Разработка многоканального высокочастотного программно-перестраиваемого генератора псевдослучайной последовательности // Изв. вузов. Электроника. - 2012. -№ 3 (95). - С. 83, 84.
3. Xilinx, Inc. Spartan-6 Family Overview, DS160 (v1.5) // Advance Product Specification. - 2010. -Aug. 2.
4. Xilinx, Inc., Spartan-6 FPGA GTP Transceivers, UG386 (v2.2) // Advance Product Specification. -2010. - Apr. 30.
5. Finisar Corporation, 2.125 Gb/s RoHS Compliant Short-Wavelength SFP Transceiver FTLF8519P3ByL // Rev. B.4. - 2011. - Jan. 19.
6. Analog Devices, 1 ppm 20-Bit, ±1 LSB INL, Voltage Output DAC AD5791. - Data Sheet, 2010-2011.
Статья поступила 11 июня 2014 г.
Крыликов Николай Олегович - доктор технических наук, начальник сектора НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: вычислительные системы специального назначения, информационно-управляющие системы и комплексы транспортных объектов, приборная база для геофизических исследований. E-mail: krylikov-no@rambler.ru
Плавич Максим Леонидович - инженер-электроник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: цифровая и аналоговая схемотехника, микроконтроллерные встраиваемые системы управления.
МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ MEASUREMENT METHODS AND TECHNOLOGY
УДК 621.315.592
Влияние размера области засветки образца высокоомного арсенида галлия на его проводимость
12 1 1 А.П. Лысенко , А.Г.Белов , В.А. Голубятников , Н.И. Строганкова
1 Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
2
ОАО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «ГИРЕДМЕТ» (г. Москва)
Influence of High-Ohmic Semiconductor Sample Location Illumination upon Sample Conductivity
12 * 1 1 A.P. Lysenko , A.G. Belov , V.A. Golubyatnikov , N.I. Strogankova
1 Moscow Institute of Electronics and Mathematics of National Research University Higher School of Economics State Scientific Center of Russian Federation Joint Stock Company State Scientific Research and Design Institute of Rare Metal Industry «GIREDMET», Moscow
Исследовано влияние засветки центральной части образца полуизолирующего арсенида галлия п-типа на его проводимость. Показано, что люкс-амперная характеристика, начиная с некоторого значения интенсивности света, выходит на линейную зависимость, угловой коэффициент которой растет с увеличением диаметра освещаемой области. Зависимость носит степенной характер и находится между квадратичной и линейной. Ток отсечки - значение тока, полученное при экстраполяции линейного участка люкс-амперной характеристики до пересечения с осью токов при нулевой интенсивности освещения, - суперлинейно зависит от диаметра освещаемой области. Приведена качественная модель, объясняющая экспериментальные результаты.
Ключевые слова: полуизолирующий полупроводник; омические контакты; локальная засветка образца; концентрация свободных носителей заряда; фотопроводимость.
The influence of the illumination of the n-type semi-insulating gallium arsenide sample central part upon the sample conductivity has been investigated. The luxe-ampere dependence beginning from some light intensity has been
© А.П. Лысенко, А.Г.Белов, В.А. Голубятников, Н.И. Строганкова, 2015
