Исследование и разработка широкополосных систем с масштабно-временным преобразованием сигналов

Потребности быстроразвивающихся отраслей науки и техники, предъявляют повышенные требования к широкополосным системам [1], в особенности :

— при тестировании СВЧ компонентов и узлов и при исследовании новых материалов и процессов;

— в радиосвязи (включая космическую) — -при рефлектометрировании в свободном пространстве- -в антенной технике- -в оптоэлектронике (включая лазеры);

— при обнаружении, идентификации и слежении за объектами- -в полупроводниковой и квантовой электронике (включая Джозефсоновскую технологию);

— при разработке и проверке в серийном производстве скоростных ИС и сверхскоростных ИС;

— при исследовании динамических параметров супербыстродействующих АЦП и ЦАП, сверхскоростных устройств выборки и хранения (в том числе оптических);

— в гигабитовой электронике (включая телефонные линии связи) — -при разработке и тестировании цифровых ТВ систем и радио;

Точность, широкополосность, функциональные возможности, динамический диапазон, определяют технические возможности широкополосных систем, в основу построения которых положен масштабно-временной метод преобразований широкополосных сигналов. Это связано с тем, что метод обладает большой разрешающей способностью, высокой чувствительностью и эффективностью измерений на СВЧ при автоматизации процесса анализа [1−4].

Создание широкополосных систем, используемых в различных областях техники, в силу постоянного уменьшения длительности сигналов и усложнения их формы, появления новых задач и видов сигналов, стимулируют дальнейшее развитие широкополосных систем.

Амплитуда сигналов становится соизмеримой с амплитудой импульсов выборки, а длительность сигналов — с полосой пропускания системынеобходимы синхронные исследования как минимум четырех сигналов. Все это требует детального исследования динамики и совершенствования структуры широкополосных систем.

Повышение точности анализа, расширение полосы пропускания, уменьшение выброса переходной характеристики, увеличение динамического диапазона, снижение уровня шумов узлов, расширение функциональных возможностей, одновременное исследование нескольких сигналов, упрощение схемио-техничесхой реализации и оптимизация структуры системы для анализа параметров широкополосных сигналов сложной формы, основанном на дискретном временном преобразовании повторяющихся сигналов, являются актуальными задачами, решению которых и посвящена настоящая работа.

Для совершенствования широкополосных систем важное значение имеет изучение их динамики. Это связано с тем, что динамика определяет точностные характеристики системы.

В связи со значительным распространением цифровых систем и цифровых методов измерений произошел сдвиг в сторону исследования динамических параметров сигналов, амплитуды которых соизмеримы с амплитудой импульсов выборки [1], что делает задачу исследования динамики системы еще более актуальной.

Точность является интегральной оценкой качества работы всей системы. Поэтому наиболее рационально определить вклад в погрешность системы погрешностей составляющих ее узлов с целью их минимизации, а также оптимизации структуры и значений параметров узлов системы.

Целью работы является исследование возможностей совершенствования характеристика-Системы для обеспечения разработки широкополосных систем с высокими техническими характеристиками.

Появление ИС повышенного быстродействия привело к возникновению ряда проблем при их тестировании, что связано со значительным увеличением количества внешних выводов проверяемых ИС. Оптимальным решением является большое число каналов (более двух) анализа при высокой точности преобразования и скорости формирования тестовых сигналов в сочетании с умеренной ценой [1]. Поэтому необходимо углубить исследование новых методов построения систем, обеспечивающих выполнение этих сложных задач.

Совершенствование характеристик широкополосных систем вызывает исследования как системы в целом, так и составляющих ее устройств, а также разработку новых принципов построения узлов системы, обладающих повышенной точностью.

Возникновение при дискретном преобразовании сигналов искажений, ведет к необходимости исследования общих факторов, определяющие точность измерения.

В настоящее время существует потребность в исследовании сигналов амплитудой порядка 3−5 В и более [1]. Максимальное значение динамического диапазона определяется амплитудой импульсов выборки. Поэтому совершенствование процесса формирования импульсов выборки будет способствовать расширению динамического диапазона.

Проблема расширения динамического диапазона системы объединяет в себе две задачи: уменьшение уровня шумов за счет оптимизации структуры преобразователя и формирование импульсов выборки с большой активной амплитудой при сохранении или увеличении их общей амплитуды.

Одним из направлений совершенствования систем является применение устройства автосинхронизации и цифровых преобразователей, что открывает большие возможности повышения точности преобразования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— построение математической модели преобразователя с обратной связью и исследование действия факторов, влияющих на параметры переходной характеристики преобразователяопределение путей оптимизации формы переходной характеристики;

— разработка и исследование методов расширения динамического диапазона системы за счет изменения процесса формирования импульсов выборки и уменьшения паразитных колебаний, возникающих в формирователеразработка методики расчета формирователей импульсов выборки с большой активной амплитудой, а также обеспечение одновременного исследования более двух сигналов в системе;

— исследование динамики процесса преобразования сигналов, амплитудные значения которых близки к динамическому диапазону системыанализ погрешности преобразования системы;

— анализ шумов в системе и возможности их снижения для повышения чувствительности системы,.

— исследования методов повышения быстродействия, точности анализа, расширение динамического диапазона за счет совершенствования всех узлов широкополосной системы,.

— экспериментальная проверка возможности практической реализации широкополосной системы с расчетными характеристиками и подтверждение правильности основных теоретических положений.

Предложения, выносимые на защиту:

— результаты теоретического исследования нового типа искажений (высокочастотных) в системах со смесителем мостового типаанализ значения выброса переходной характеристики в зависимости от соотношения параметров элементов схемы смесителя, длительности импульсов выборки и реактивных параметров ключевых элементов смесителя;

— результаты исследования преобразования сигналов, амплитуда которых соизмерима с динамическим диапазоном системыанализ требований к параметрам сигналов для достижения заданной точности преобразования;

— результаты анализа методов формирования импульсов выборки для ограничения паразитных колебаний на дискретных элементах и с использованием формирующей камеры на отрезке регулярного волновода;

— результаты исследования формирователей импульсов выборки: синхронных и сверхмалой длительности;

— методы построения узлов системы и устройства, обеспечивающие совершенствование ее характеристик.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1.Впервые теоретически исследованы высокочастотные искажения мостовых смесителей и получены формулы, определяющие значение выброса переходной характеристики. Установлена количественная связь выброса со значениями реактивных параметров ключевых элементов смесителя и длительностью импульсов выборки.

2.Разработана математическая модель преобразователя в виде уравнений состояния с дискретным временем, позволяющая исследовать параметры переходной характеристики с учетом влияния конечного интервала дискретизации, формы импульсов выборки отличной от прямоугольной, не кусочно-линейной вольт-амперной характеристики ключевых элементов смесителя и изменения отношения амплитуд исследуемого сигнала и импульсов выборки. Определены требования, обеспечивающие минимальное время нарастания переходной характеристики.

3.Впервые разработаны и исследованы активные и пассивные методы увеличения динамического диапазона системы за счет изменения процесса формирования импульсов выборки. Доказано, что активная амп литуда импульсов выборки возрастает при использовании короткого импульса в качестве входного сигнала формирующей камеры устройства формирования импульсов выборки. Предложена методика инженерного расчета основных элементов формирователя импульсов выборки.

4.Исследована динамика изменения погрешности преобразования сигналов, амплитуды которых близки к значению динамического диапазона системы. Получены условия, обеспечивающие требуемую погрешность преобразования.

6.Предложен и исследован метод снижения шумов преобразователя, позволяющий увеличить точность преобразования системы. б. Оптимизирован процесс формирования импульсов выборки для системы с полосой пропускания 0−1 ГГц.

7.Предложена новая схема построения преобразователя системы, а также смесителя, формирователя импульсов выборки и других узлов.

Практическая ценность работы определяется следующим.

1.Сформулированы практические рекомендации, позволяющие на практике выбрать параметры системы, обеспечивающие минимизацию значения выброса переходной характеристики за счет высокочастотных искажений.

2.Даны конкретные рекомендации по практической реализации системы, обеспечивающие минимальное время нарастания переходной характеристики.

3.Приведены расчетные соотношения, представленные в виде графиков, обеспечивающие требуемую погрешность преобразования соответствующим выбором амплитудного значения исследуемого сигнала.

4.Разработан метод построения многоканальной системы (число каналов больше двух) на основе синхронного формирования импульсов выборки. Изготовлен макет формирователя импульсов выборки, позволяющий на серийной элементной базе измерять параметры сигналов по 4 каналам при отсутствии временного сдвига между каналами.

5.Разработаны, изготовлены и испытаны макеты формирователей импульсов выборки с большой активной амплитудой, реализующие как активный, так и пассивный методы уменьшения паразитных колебаний, обеспечивающие увеличение динамического диапазона системы в 2−3 раза по сравнению с известными.

6.Впервые предложена конструкция выполнения преобразователя системы в виде выносного блока, являющегося функционально законченным узлом, который может работать с любой существующей системой данного класса. В настоящее время такое конструктивное и функциональное решение является общепризнанным.

7.Разработан и внедрен в промышленности преобразователь для широкополосной системы, обеспечивающий погрешность амплитудных измерений не хуже 1% и имеющий уровень шумов не более 1 мВ (у существующих более 2 мВ).

8.Разработаны и освоены промышленностью в серийном производстве широкополосные системы С9−11, С9−12, 1019, С7−16, С7−17, ОСВ-1.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждают:

— список публикаций, в которых даны ссылки на работы автора:

1.Рябинин Ю. А., Грязнов М. И. Дерешенков А. А., Щербаков В. В. Вычислительные осциллографы//Передовой опыт.-1984.-Ш.-С.36−42. (см. статью автора в списке работ [5]).

2.Жилин Н. С., Майстренко В. А., Никонов А. В. Исследование линейности преобразования амплитуды высокочастотного сигнала кольцевыми строб-преобразователями //Радиотехника и электроника, 1985, т. ЗО, вып.11, С.2254−2260. (см. статью автора [6]).

3.Жилин Н. С., Майстренко В. А., Никонов А. В. Исследование линейности амплитудной характеристики кольцевых стробоскопических преобразователей наносекундного диапазона/ЛГехника средств сзязи, 1985, сер. РИТ, вып.1,с.1−12.(см. статыо автора [7]).

4.Вишневский В. Н., Гуляев А. Д. Метод формирования временной шкалы пикосекундного диапазона при дискретизации ВЧ и СВЧ сигналов. //Техника средств связи, 1987, сер. РИТ, вып. 5, С.32−35. (см. статью автора [8]).

5.Никонов A.B., Субботин Л. С. Формирователь пикосекундных строб-импульсов с регулируемыми параметрами. Материалы 4-й Республ. науч.-техн. конф. «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов». Вильнюс, 1987, С.15−16. (см. статью автора [9]).

В статье: Ефимчик М. И., Левитас Б. Н. Общие свойства коэффициента передачи стробоскопического преобразователя. //Радиотехника и электроника.- 1985. Вып.12. С.2402−2411 — использован введенный автором термин «высокочастотные искажения» и получены результаты такие же как и у автора (см. статью автора [10]), что подтверждает достоверность его результатов и их значимость);

— 17 авторских свидетельств на основные узлы широкополосных систем, определяющие их основные характеристики;

— проверка теоретических результатов проведенными экспериментальными исследованиями;

— разработка реальных конструкций: преобразователя сигналов с низкой погрешностью и малыми шумамиформирователи импульсов выборки, реализующих активный и пассивный методы уменьшения паразитных колебаниймногоканального формирователя импульсов выборкисмесителяавтосинхронизатораформирователя импульсов выборки сверхмалой длительности;

— серийный выпуск и эксплуатация в течение ряда лет на предприятиях страны широкополосных систем с масштабно-временным преобразованием сигналов являются убедительным доказательством достоверности полученных научных результатов работы.

Внедрение результатов работы и реализация в промышленности.

Результаты работы использованы при разработке и серийном производстве широкополосных систем и субсистем: С9−11, С9−12, С7−16, С7−17, ОСВ-1, 1019, системы для поверки параметров импульсных генераторов, также при создании образцов новой техники.

В ННИПИ «Кварц» (г.Н.Новгород) для решения задач по созданию современной РЭА используется широкополосная система типа С9−11,а также измеритель на базе С7−16 с пробниками.

По договорам о передаче научно-техничеких достижений изготовлены и внедрены в опытную эксплуатацию образцы и макеты широкополосных систем: в МРТЗ (г.Мосхза) — в НИИМЭ (гЗеленоград) — в НИИИС (г.Н.Новгород) — в ИТМВТ (г.Москва) — в НГТУ (г.Н.Новгород) — на предприятии «Мера» (г.Н.Новгород).

За работу «Комплекс цифровых и вычислительных осциллографов с повышенными эксплуатационными характеристиками» (С7−16,С7−17) автор удостоен премии Горьковского комсомола и областного совета НТО.

Заложены основы практической реализации масштабно-временных преобразователей широкополосных систем нового поколения, обладающих более совершенными техническими характеристиками.

Результаты работы использованы в ходе выполнения НИР «Изыскание методов измерения динамических параметров микросхем субнаноскундного диапазона, предназначенных для импульсно-осциллографической аппаратуры» ," Разработка и экспериментальная проверка принципов построения автоматизированного измерителя динамических параметров микросхем субнаносекундного диапазона", «Изыскание путей создания вычислительных осциллографов и импульсного рефлектометра со встроенным микропроцессором», «Исследование путей создания аппаратуры для обеспечения контроля сверхскоростных интегральных схем (ССИС) на арсениде галлия» ," Исследование возможностей расширения динамического и частотного диапазонов анализаторов сигналов, работающих в реальном масштабе времени", ОКР «Автоматизированный контрольно-измерительный комплекс для измерения параметров каналов и аппаратуры связи», «Комплект автоматизированных осциллографов» ," Программируемый стробоскопический осциллограф на базе С7−17 с расширением полосы пропускания до 3 ГГц" ," Измерительная система для поверки параметров войсковых генераторов" .

Основные узлы широкополосной системы, определяющие ее динамические характеристики, защищены авторскими свидетельствами на изобретение и промышленный образец и внедренными в промышленность (С9−11,С9−12,1019).

Научные результаты были изложены и опубликованы в 69 печатных работах (в том числе-17 авторских свидетельств на изобретение и 1 на промышленный образец), приведенных в конце работы, а также докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: на I Всесоюзной конференции «Методы и средства преобразования сигналов» (г.Рига, 1978), на II (г.Горький, 1978), III (г.ГорькийД979), Х г. Горький, 1986), XII (г.Горький, 1988) конференциях «Современная радиоизмерительная техника», на IV (г.Горький, 1979), V (г.Горький, 1983) Всесоюзных симпозиумах «Нанои пикосекундная импульсная техника и ее применение в радиоизмерениях», на Республиканской конференции «Электронные методы и устройства измерения временных интервалов нано-и микросекундного диапазона» (г.Киев, 1979), на II (г.Вильнюс, 1980), IV (г.Вильнюс, 1987) Республиканских конференциях «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов», на I Всесоюзной конференции по интегральной электронике СВЧ (г.Новгород, 1982), на IV Всесоюзной конференции по осциллографическим методам измерений (г.Вильнюс, 1982), на Всесоюзной конференции «Вопросы стабилизации частоты» (г.Горький, 1985), на Республиканской конференции.

Структурные методы повышения точности, чувствительности и быстродействия измерительных приборов и систем" (г.Житомир, 1985), на Всесоюзной конференции «Средства измерений, диагностики и контроля РЭА IV и V поколений» (г.Горький, 1986), на Республиканской конференции «Системы контроля параметров электронных устройств и приборов» (г.Севастополь, 1986), на конференции «Системы и аппаратура диагностики и контроля» (г.Кишинев, 1986), на Республиканской конференции «Системы контроля параметров радиоэлектронных устройств и приборов» (г.Одесса, 1988), на конференции «Применение вычислительной техники и математических методов в научных и экономических исследованиях» (г.Тернополь, 1989), на Всесоюзном симпозиуме «Проблемы радиоизмерительной техники» (г.Горький, 1989), на II Всесоюзной конференции «Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов» (г.Харьков, 1989), на XX научно-технической конференции ПО ВЭФ (г.Рига, 1989), на межреспубликанской конференции «Анализ сигналов и их спектров в радиоизмерениях» (г.Н.Новгород, 1992), на Второй межвузовской конференции «Повышение эффективности вооружения и военной техники войск ПВО в интересах противовоздушной обороны. Проблемы совершенствования образовательного процесса в высших военно-учебных заведениях» (г.Н.Новгород, 1995).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложений. Основное содержание изложено на 205 страницах машинописного текста и иллюстрировано 94 рисунками.

Во введении рассматривается актуальность совершенствования характеристик системы и исследования ее динамики, определяется научная новизна и практическая ценность результатов работы, рассматриваются результаты реализации работы в промышленности.

В первой главе анализируются факторы, ограничивающие характеристики системы. Показана необходимость исследования переходных процессов с учетом реальных условий преобразования, измерение параметров сигналов, соизмеримых с динамическим диапазоном системы, оптимизация процесса формирования импульсов выборки. Предложены методы ограничения паразитных колебаний. Рассмотрены новые принципы построения преобразователя.

Во второй главе проводятся исследования высокочастотных искажений мостовых смесителей и анализируются пути их уменьшения.

В третьей главе исследуется динамика преобразователей с обратной связью методом пространства состояний, с учетом реальных условий преобразования. Рассмотрена погрешность преобразования сигналов, амплитудные значения которых соизмеримы с динамическим диапазоном системы.

В четвертой главе анализируются методы расширения полосы пропускания и динамического диапазона системы за счет оптимизации процесса формирования импульсов выборки (увеличение их активной амплитуды и изменение формы).Рассмотрено многоканальное синхронное формирование импульсов выборки на одном активном формирующем элементе.

В пятой главе рассматриваются структурные усовершенствования преобразователя, которые приводят к ограничению шумов системы.

В шестой главе анализируются методы улучшения характеристик системы, основанные на совершенствовании большинства узлов системы.

Приведены результаты экспериментальных исследований, которые показали правильность основных теоретических положений работы и подтвердили возможность практической реализации предложенных методов совершенствования системы.

В заключении отражены основные результаты, достигнутые в ходе выполнения работы.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., начальнику отделения НИИИС Дмитриеву Н. И за руководство работой и оказание практической помощи на всех этапах ее выполнения.

Автор признателен руководителю работ по широкополосным системам Цалю В. В. за советы и постоянную поддержку, а также коллегам, оказавшим помощь в реализации методов построения узлов системы, в особенности Писареву Б.В.

7.Результаты работы использованы при разработке и серийном производстве широкополосных систем и субсистем типа С9−11, С9−12, 1019, С7−16, С7−17, ОСВ-1, системы для поверки параметров импульсных генераторов, а также при создании образцов новой техники — изготовлены и внедрены в опытную эксплуатацию образцы и макеты широкополосных систем: в МРТЗ (г.Москва) — в НИИМЭ (г.Зеленоград) — в НИИИС (г.Н.Новгород) — в ИТМВТ (г.Москва) — в НГТУ (г.Н.Новгород) — на предприятии «Мера» (г.Н.Новгород)-в ННИПИ «Кварц» (г.Н.Новгород).

8.3аложены основы практической реализации широкополосных систем нового поколения, обладающих более совершенными техническими характеристиками. Результаты работы могут послужить основой при разработке широкополосных систем и рекомендуются для использования на предприятиях — ННИПИ, НИИИС, НПО «Салют», НПО «Полет», НПО «Орион» и других.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.Проведенный анализ широкополосных систем с масштабно-временным преобразованием сигналов обеспечивает возможности совершенствования их характеристик.

2.В работе исследуется преобразование широкополосных сигналов на основе:

— модели мостового смесителя, позволяющей проанализировать высокочастотные искажения;

— модели преобразователя с обратной связью при конечной, непрямоугольной форме импульсов выборки и нелинейных вольт-амперных характеристиках ключевых элементов входных устройств;

— модели преобразователя с обратной связью, когда амплитуда исследуемых сигналов соизмерима с активной амплитудой импульсов выборки;

— модели системы, связывающую ее выходные параметры с формой входного сигнала и характеристиками формирователя импульсов выборки.

3.Исследования позволили установить, что:

— максимальная погрешность преобразования системы определяется временем нарастания и формой ее переходной характеристики;

— переходная характеристика системы со смесителем мостового типа всегда имеет выброс, обусловленный самопроизвольным прохождением входного сигнала;

— применение импульсов выборки колоколообразной и треугольной формы с учетом квадратичного и экспоненциального характера вольт-амперных характеристик ключевых элементов входных устройств уменьшает время нарастания переходной характеристики системы;

— решающее влияние на характеристики системы оказывает значение активной амплитуды импульсов выборки;

— при анализе параметров сигналов, амплитуды которых соизмеримы с активной амплитудой импульсов выборки, выходной сигнал системы определяется только нечетными производными вольт-амперной характеристики ключевых элементов входных устройств;

— существует линейная зависимость между выходным сигналом системы и частотной характеристикой входного сигнала формирующей камеры формирователя импульсов выборки.

4.На основании исследований разработаны методы проектирования узлов системы. При этом показано, что:

— для уменьшения значения выброса переходной характеристики при использовании дискретных смесительных диодов необходимо выбирать ключевые элементы входных устройств, обладающие наибольшими значениями частоты среза частотной характеристики;

— выполнение смесителя системы в интегральном виде позволяет решить проблему выброса переходной характеристикивремя нарастания переходной характеристики системы уменьшается при увеличение отношения длительности импульсов выборки к постоянной времени заряда накопительного конденсатора в смесителе;

— погрешность преобразования имеет значение не более 2%, когда активная амплитуда импульсов выборки превышает амплитуду входного сигнала в три раза, при любых реально достижимых отношениях длительности импульсов выборки к времени нарастания входного сигналаамплитуда импульсов выборки определяется значениями параметров формирующей камеры;

— максимальное значение амплитуды импульсов выборки можно увеличить путем изменения формы входного сигнала формирующей камеры;

— оптимальным входным сигналом формирующей камеры является сигнал с равномерной функцией спектральной плотности во всей полосе пропускания формирующей камеры;

— шумы формирователя импульсов выборки — незначительны.

5.На основе исследований разработаны образцы, которые позволяют улучшить выходные параметры всех узлов системы:

— разработан и исследован преобразователь принципиально нового функционально-конструктивного типа, который может работать с любой системой данного класса;

— разработан формирователь импульсов выборки на дискретных ЫЬС элементах, который позволяет увеличить амплитуду импульсов выборки на 30% и снизить уровень шумов самого формирователя;

— разработан многоканальный формирователь импульсов выборки, обеспечивающий исключение временного сдвига между любой парой импульсов выборки, с применением одного активного формирующего элемента, что позволяет реально синхронно формировать импульсы выборки по 4−6 каналам.

6.Исследования позволяют выбрать методы построения отдельных узлов, как основы улучшения метрологических характеристик системы:

— разработан метод, позволяющий изменить процесс преобразования сигналов, снизив уровень шумов и повысив точность преобразования в 2−3 раза, за счет точной фиксации амплитуды расширенного импульса и изменения работы импульсного интегратора;

— разработаны и исследованы пассивные и активные методы уменьшения паразитных колебаний, возникающих в процессе формирования импульсов выборкиркспериментальные исследования формирователей импульсов выборки показали, что в полосе пропускания 0−26 Ггц. динамический диапазон увеличивается в 2−3 раза за счет ограничения уровня паразитных колебаний и достигает 2−2,5 В;

— разработан способ формирования импульсов выборки сверхмалой длительности для систем с полосой пропускания свыше 50 ГГц, при котором на входе формирующей камеры действуют сигналы, близкие по форме к дельта-импульсам;

— разработан и опробован алгоритм работы синхронизации системы в автоматическом режиме;

— разработаны аппаратные методы совершенствования узлов системы: СВЧ синхронизатора, смесителя, цифровых преобразователей, устройств автосдвига и развертки.