CC BY
27
нет необходимости установки резидентного ПО на ПК разработчика;
минимальные системные требования к ПК разработчика;
нет необходимости постоянного отслеживания обновлений;
нет затрат на покупку ПО.
Рисунок 9
Создание конкретного узла (фильтра, усилителя, источника питания) начинается с использования конкретного инструмента - утилиты.
Компания Texas instruments предлагает целый спектр средств разработки и отладки от систем автоматизированного проектирования до готовых отладочных плат. Программный комплекс WEBENCH®
Design Center включает в себя множество онлайн утилит, позволяющих оптимизировать создание электронных узлов и блоков. Источники питания, драйверы для светодиодов, фильтры, усилители, датчики - эти и многие другие схемы могут быть созданы с инструментарием WEBENCH в предельно короткие сроки.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.ti.com/lsds/ti/analog/webench/overview.page
2. Гавриков В. Инструменты для инструментов: программные продукты TI для проектирования // Новости электроники. 2014. № 10. С. 28-33.
3. Волков С.В., Кулапин В.И., Светлов А.В. Современные технические решения и проблемы в обеспечении комплексной безопасности // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 4 (8). С. 61-68.
4. Волков С.В., Захарова О.О., Колдов А.С., Чапаев В.С. Система автоматического контроля и управления параметрами объекта. // Надежность и качество: Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред.Н.К. Юркова. - Пенза: Изд- во ПГУ, 2014 - 2т., стр. 91-93.
5. Волков С.В., Чапаев В.С. Двухтактный последовательный резонансный преобразователь // Надежность и качество: Труды международ, симпоз. В 2-х томах. Том 1. - Пенза: Инф.-изд. центр ПензГу, 2008. - С. 532 - 534.
6. Волков С.В., Бахмутский А.А., Сазыкин П.А. Принципы построения систем контроля удаленных объектов на базе GSM-канала // Надежность и качество. Труды международ, симпоз. В 2-х томах. Том 2. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 12 - 14.
7. Волков С.В., Дудоров М.Ю., Колдов А.С., Чапаев В.С. GSM-телеметрия. // Надежность и качество: Труды международного симпозиума: в 2-х т. / Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд- во ПГУ, 2013 - 2т., стр. 57-59.
УДК 621.317.3
Паршуков М.Ю., Сапунов Е.В., Светлов А.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Рассмотрен преобразователь интервала времени в постоянное напряжение, предназначенный для работы в составе измерителя скорости нарастания выходного напряжения операционных усилителей. Целью исследования является оценка составляющей погрешности преобразователя, обусловленной его нелинейностью. Исследование преобразователя выполнено с применением программы схемотехнического моделирования Р&р\се, а также экспериментально. Показана последовательность операций, выполняемых при измерении скорости нарастания выходного напряжения ОУ общего применения: скорость нарастания напряжения — интервал времени — постоянное напряжение — цифровой код. Выбрана схема преобразователя интервала времени в постоянное напряжение, проведено ее моделирование и экспериментальное исследование. Получены градуировочные характеристики двух экземпляров преобразователей. Расхождение между результатами моделирования и экспериментальными данными не превышает 1,1 %. В диапазоне интервалов времени от 0,2 мкс до 2,5 мкс составляющая погрешности преобразователя, обусловленная его нелинейностью, не превышает 0,6 %. Проведенное моделирование и экспериментальное исследование показало возможность использования рассмотренной схемы преобразователя интервала времени в постоянное напряжение при построении измерителя скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ.
Ключевые слова:
операционный усилитель, скорость нарастания выходного напряжения, преобразователь интервала времени в постоянное напряжение, моделирование, градуировочная характеристика.
Работа поддержана Грантом Российского Фонда фундаментальных исследований (проект № 16-3800233).
Введение
Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционных усилителей (ОУ) является одной из важнейших процедур при отборе микросхем ОУ для применения в электронных устройствах с импульсными сигналами. Задача разработки автоматизированных измерителей этого параметра ОУ является актуальной, поскольку промышленностью такие приборы не выпускаются. В предлагаемой работе показана последовательность операций, выполняемых при измерении скорости
нарастания выходного напряжения ОУ общего применения, и проведено детальное исследование одной из операций - преобразования интервала времени в постоянное напряжение.
1. Последовательность операций, выполняемых при измерении скорости нарастания выходного напряжения ОУ
При построении разнообразных электронных устройств наиболее широкое применение находят ОУ общего применения [1]. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения самых быстродействующих ОУ данного класса не превышает 20 В/мкс, а у большинства микросхем этого класса максимальная скорость нарастания выходного
напряжения не выше 10 В/мкс. При измерении параметров таких ОУ могут быть использованы структуры измерительных преобразователей, предложенные авторами в [2, 3] и отличающиеся тем, что длительность импульсов, сформированных с помощью двух компараторов, пропорциональная времени нарастания между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ, преобразуется в постоянное напряжение.
На рисунке 1 приведена укрупненная структурная схема, отражающая особенности упомянутых структур и показывающая последовательность операций, выполняемых при измерении скорости нарастания выходного напряжения ОУ общего применения: скорость нарастания напряжения - интервал времени - постоянное напряжение - цифровой код.
Рисунок 1 - Структурная схема измерителя скорости нарастания выходного напряжения ОУ
Исследуемый ОУ включается в состав измерительной схемы с коэффициентом усиления К^^ • На вход измерительной схемы с выхода генератора импульсов поступает тестовое напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой ивх . Стабильность амплитуды импульсов тестового напряжения обеспечивается подачей на генератор постоянных опорных напряжений +ивх и
-и„ ■
Выходное напряжение измерительной схемы, характеризуемое максимальной скоростью нарастания Уц , поступает на вход преобразователя скорости нарастания напряжения в интервал времени. На другие входы этого преобразователя подаются постоянные пороговые напряжения ишр] = 0,1—ис ивх
и ипор2 = 0,9Кис ивх , а на выходе преобразователя
формируется последовательность импульсов с длительностью, равной времени нарастания т между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ.
Тем самым на выходе данного преобразователя формируются интервалы времени, обратно пропорциональные скорости нарастания выходного напряжения ОУ:
. 0,8 ' КИС • ивх
Т — -
(1)
vU
Выходной сигнал преобразователя скорости нарастания напряжения в интервал времени поступает на вход преобразователя интервала времени в пропорциональное ему постоянное напряжение ц ~ т . Таким образом, выходное напряжение рассмотренной схемы обратно пропорционально искомой скорости 1
U ~
vU
нарастания выходного напряжения ОУ: Это напряжение далее оцифровывается с
помощью АЦП и в виде цифрового кода заносится в персональный компьютер.
Исследование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение проводилось в два этапа: сначала по результатам схемотехнического моделирования с применением программы PSpice пакета OrCAD [4] отбиралась схема преобразователя и уточнялись ее параметры и режимы работы, затем результаты моделирования проверялись экспериментально. Это позволило существенно сократить объемы и сроки экспериментальных исследований.
2. Моделирование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение
По результатам моделирования ряда схем преобразователей интервала времени в постоянное напряжение выбрана приведенная на рисунке 2 схема с двухзвенным ФНЧ на входе и сглаживающим конденсатором в цепи отрицательной обратной связи не-инвертирующего усилителя на ОУ LF412C [5] производства фирмы Texas Instruments Incorporated. Для адекватного отображения статических и динамических режимов работы этого ОУ используется макромодель [6], представленная фирмой-разработчиком ОУ. Схема преобразователя представлена в виде, подготовленном для составления задания на моделирование (cir-файла) в программе PSpice.
V1 - независимый источник напряжения в виде последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 3 В, периодом повторения 10 мкс, длительностями фронта и спада 4 нс и длительностью вершины импульсов т, варьируемой от 0,24 мкс до 2,4 мкс, что соответствует времени нарастания напряжения от уровня 0,1 до уровня 0,9 максимального значения 3 В при скорости нарастания напряжения vu, варьируемой от 10 В/мкс до 1 В/мкс. Полученные в результате моделирования при заданных значениях т выходные напряжения U (т) преобразователя приведены в таблице 1.
С3 1 нФ
R3 1 к
R4 3 к
R1 3 к R2 3 к
©
V1
®
©
©
C1 0,1 мкФ
C2 0,1 мкФ
Input X 1 Output
+U
-U
©
©
V 2
©
V 3
Рисунок 2 - Схема преобразователя интервала времени в напряжение
Таблица 1
vu, В/мкс т , мкс U (т) , мВ
10,0 0,240 292,79
9,0 0,267 324,84
8,0 0,300 364,80
7,0 0,343 416,22
6,0 0,400 484,79
5,0 0,480 580,80
4,0 0,600 724,78
3,0 0,800 964,80
2,0 1,200 1444,76
1,0 2,400 2884,75
С целью оценки линейности зависимости выходного постоянного напряжения U (т) преобразователя от интервала времени т на его входе осуществлялась аппроксимация результатов измерений линейными функциями вида:
иаппр.(т)= a *т+ b , (2)
где a , мВ/мкс и b , мВ - коэффициенты линейной регрессии.
По данным таблицы 1, с применением оператора
line (t,U) программы Mathcad, получены коэффициенты регрессии:
a = 1199, 9763 мВ/мкс; b = 4 , 8038 мВ.
Для вычисления фактических значений интервала времени т в микросекундах на входе преобразователя по измеренным значениям его выходного напряжения и в милливольтах может быть использовано следующее выражение:
и - Ь
(U ) =
a
(U ) =
U - 4,8038
1199,9763
Построенный в соответствии с этим выражением и приведенный на рисунке 3 график представляет собой полученную по результатам моделирования градуировочную характеристику преобразователя интервала времени в напряжение.
Рисунок 3 - Градуировочная характеристика преобразователя интервала времени в напряжение
(моделирование)
3. Экспериментальное исследование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение
Как показано в [2, 3], аппаратно-программный комплекс для измерения динамических параметров ОУ должен обеспечивать определение не только скорости нарастания выходного напряжения ОУ, но и скорости его спада. Это требование учтено при построении стенда для экспериментального исследования преобразователя интервала времени в постоянное напряжение, структурная схема которого приведена на рисунке 4. Предусмотрена возможность экспериментального определения и сравнения
градуировочных характеристик двух экземпляров преобразователей интервала времени в напряжение (преобразователи 1 и 2 на схеме рис. 4).
На входы преобразователей с выхода генератора импульсов Г5-54 подается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 3 В, периодом повторения 10 мкс и длительностью, варьируемый от 0,2 мкс до 2,5 мкс. С целью повышения точности задания интервалов времени, выходной сигнал генератора Г5-54 контролируется с помощью цифрового осциллографа NI PXI-5124 фирмы National Instruments [7].
Рисунок 4 - Структурная схема стенда для исследования преобразователя интервала времени в
постоянное напряжение
Выходные напряжения преобразователей 1 и 2 с помощью коммутатора поочередно подключаются к входу цифрового мультиметра Yokogawa 7555.
В таблице 2 приведены результаты измерений выходных напряжений преобразователей 1 и 2 при вариации интервала времени в заданных пределах.
т
т
Таблица 2
т , мкс u1(t) , мВ U 2(т) , мВ
0,2 244,28 244,18
0,3 364,97 364,78
0,4 485,76 485,28
0,5 605,20 605,29
0,6 724,93 724,54
0,8 962,36 962,26
1,0 1202,11 1201,72
1,2 1443,78 1443,78
1,4 1685,17 1685,55
1,6 1922,89 1923,08
8 1 2166,11 2166,11
2,0 2411,16 2410,77
2,5 3012,79 3012,50
С целью оценки линейности приведенных зависимостей и получения градуировочных характеристик преобразователей интервала времени в постоянное напряжение осуществлялась аппроксимация
результатов измерений и1(г) и и 2(г) линейными функциями вида (2). Получены коэффициенты линейной регрессии: а1 = 1202,7532; Ь1 = 2,4714; а2 = 1202,7917; Ь2=2,303.
Относительные погрешности аппроксимации результатов измерений и1(г) и и 2 (г) линейными
функциями U1
аппр
Т)
U 2
аппр
(т)
для всех задавав-
шихся значении интервала определены по формулам:
.. U1
SU1 аппр.(т) =-
времени т могут быть
аппр.
(т)- и1(т)
SU 2
аппр
(т) =
u1(t)
рТт)-U 2 (т)
U2
U 2 (т)
• 100%
• 100%
Расчеты по (4) и (5) показывают: составляющая погрешности преобразователя интервала времени в напряжение, обусловленная нелинейностью преобразователя, в заданном диапазоне интервала времени не превышает 0,6 %.
Для вычисления фактических значений интервалов времени т в микросекундах на входах преобразователей 1 и 2 по измеренным значениям их
выходных напряжений и в милливольтах могут быть использованы следующие математические выражения, описывающие градуировочные характеристики преобразователей:
и - Ь1
t1(u ) = т2 (U ) = t1(u ) = т2 (U ) =
a1 U - b2
a2
U - 2,4714 1202,7532 U - 2,303
!9)
1202,7917
Относительные расхождения градуировочных характеристик преобразователей, полученных экспериментально и путем моделирования, могут быть определены по формулам:
¿П(и ) = ИМ .100% ; (8) г(и)
Зт2(и)=Г2(и]-г(и).100% .
Ф)
Расчеты показывают, что расхождение между результатами моделирования и экспериментальными данными не превышает 1,1 %. Это подтверждает возможность получения приемлемых для практики результатов моделирования электронных схем с применением программ схемотехнического моделирования и макромоделей ОУ, представляемых фирмами-разработчиками аналоговых интегральных схем.
Расхождение между градуировочными характеристиками двух экземпляров преобразователей не превышает 0,1 %, что позволяет использовать данные преобразователи для сравнительной оценки скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ.
Заключение. Проведенное моделирование и экспериментальное исследование преобразователя интервала времени в постоянное напряжение показало возможность использования рассмотренной схемы преобразователя при построении измерителя скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ. В диапазоне интервалов времени от 0,2 мкс до 2,5 мкс составляющая погрешности преобразователя, обусловленная его нелинейностью, не превышает 0,6 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Операционные усилители общего применения: Справочная информация // Промэлектроника. URL: http://www.promelec.ru/catalog info/48/73/251/92/
2. Измерение динамических параметров операционных усилителей телей сигналов / М.Ю. Паршуков, А.В. Светлов, В.В. Комаров, Е.В.
с применением цифровых формирова-Сапунов // Надежность и качество -
2013: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - Том 2 . - С. 62 - 65.
3. Измерители динамических параметров операционных усилителей / А.В. Светлов, М.Ю. Паршуков, Е.В. Сапунов, В.В. Комаров // Надежность и качество - 2014: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - Том 2. - С. 100 - 102.
4. Разевиг, В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. - М.: СОЛОН-Р, 2001. - 520 с.
5. LF412C. Dual Jfet-Input Operational Amplifier. Texas Instruments Incorporated, 1994. URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf412.pdf
6. LF412C. Spice model. Texas Instruments Incorporated, 1994. URL: http://www.ti.com/gen-eral/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=sloj041&fileType=zip
7. NI PXI/PCI-5124. 12-Bit 200 MS/s Digitizer. Specifications. URL: http://www.ni.com/pdf/man-uals/371135h.pdf.
и
УДК 004.912, 519.726 Кудрина. М.А. , Избяков И.М.
ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», Самара, Россия
ПРОГРАММА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СОЗДАНИЯ ЗАДАНИЙ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ
Разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизации процесса создания заданий для лабораторных работ по курсу «Теория информации». Данное ПО обладает следующим функционалом: кодирование и декодирование текстовых алфавитных сообщений неравномерным методом и методом Шеннона-Фано, построение таблиц кодов вышеперечисленными методами для произвольного первичного алфавита, подсчет их характеристик, а также автоматическая генерация необходимого количества вариантов лабораторных работ по загруженным текстовым файлам. Разработанное программное обеспечение используется в рамках подготовки студентов направления 230100.62 - Информатика и вычислительная техника.
Ключевые слова:
теория информации, неравномерный код, код Шеннона-Фано, количество информации, энтропия.
