Главная » 2014 » Июль » 17 » Скачать Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе. бесплатно
1:55 AM
Скачать Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе. бесплатно
Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе
Диссертация
Автор: Газизов, Азат Ахатович
Название: Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе
Справка: Газизов, Азат Ахатович. Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе : диссертация кандидата технических наук : 05.13.05 / Газизов Азат Ахатович; [Место защиты: Уфим. гос. авиац.-техн. ун-т] - Уфа, 2008 - Количество страниц: 187 с. ил. Уфа, 2008 187 c. :
Объем: 187 стр.
Информация: Уфа, 2008
Содержание:
Список условных сокращений
Введение
Глава 1 Функциональные цифро-аналоговые преобразователи: современное состояние, классификация, принципы построения
11 Принципы построения цифро-аналоговых преобразователей
111 Последовательный ЦАП с широтно-импульсной модуляцией
112 Параллельный ЦАП с суммированием весовых токов
113 Параллельный ЦАП на источниках тока
114 Формирование выходного сигнала в виде напряжения
115 Параллельный ЦАП с суммированием напряжений
116 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей
12 Функциональное цифро-аналоговое преобразование
121 Классификация методов функционального цифро-аналогового преобразования
122 Цифровые методы функционального преобразования
13 Гибридные методы преобразования
131 Функциональные ЦАП с использованием ступенчатой аппр оксимации
132 Функциональные ЦАП с использованием кусочно-линейной аппроксимации
133 Функциональные ЦАП с использованием дробно-рациональной аппроксимации
134 Функциональные ЦАП с использованием полиномиальной аппроксимации
14 Применение функциональных ЦАП
141 Модуль сигнального процессора с функциональными ЦАП-АЦП
142 Калибратор фазы на синусно-косинусных функциональных ЦАП с кусочно-линейной аппроксимацией
143 Мостовой калибратор фазы
Выводы по первой главе и постановка задач исследования
Глава 2 Применение сплайновой аппроксимации для построения функциональных ЦАП
21 Структурная схема функционального ЦАП с использованием сплайновой аппроксимации
211 Аппаратная реализация способа сплайновой аппроксимации
212 Структурная схема функционального ЦАП, содержащая цифровые потенциометры
213 Структурная схема функционального ЦАП без резисторов нестандартных номиналов
22 Теория сплайнов
221 Понятие о кубическом сплайне
222 Естественный кубический сплайн
223 Кубический сплайн с краевыми условиями по первой или второй производной
224 Сплайновая аппроксимация в среде MathCAD
23 Моделирование функциональных ЦАП в среде MicroCap
231 Описание моделей в системе Micro-Cap 7
232 Модель функционального ЦАП
233 Результаты моделирования
Выводы по второй главе
Глава 3 Экспериментальные исследования функциональных ЦАП, использующих сплайновую аппроксимацию
31 Функциональная и принципиальная схемы функционального ЦАП
311 Схема электрическая функциональная
312 Изготовление экспериментального образца функционального ЦАП
313 Тестирующая программа
32 Результаты исследований
321 Лабораторная установка N1 ELVIS
322 Виртуальный прибор для исследования функционального ЦАП
323 Исследование статических погрешностей
33 Функциональные ЦАП на основе микроконтроллеров
331 Описание микроконтроллера ATmega? фирмы Atmel
332 Программа вывода гармонического сигнала на линейный ЦАП
333 Анализ гармонического сигнала с выхода линейного ЦАП
334 Программа для вывода треугольного сигнала на функциональный ЦАП
335 Анализ гармонического сигнала с выхода функционального ЦАП 128 Выводы по третьей главе
Глава 4 Применение функциональных цифро-аналоговых преобразователей для построения калибраторов фазы
41 Калибратор фазы на базе синусно-косинусных преобразователей с полиномиальной аппроксимацией
42 Калибратор фазы на базе синусно-косинусных преобразователей, использующих сплайновую аппроксимацию
Выводы по четвёртой главе
Введение:
Актуальность. В электронике, информационно-измерительной технике, приборостроении и других областях техники широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Это связано с тем, что исходная информация о физических величинах, как правило, носит аналоговый характер. Выходную информацию во многих случаях также необходимо представить в аналоговом виде. В то же время цифровая форма представления информации предоставляет несравненно больше возможностей для ее обработки. Как следствие этого, появился класс преобразователей, который является связующим звеном между цифровыми и аналоговыми устройствами — цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Развитие полупроводниковых технологий позволило выпускать цифро-аналоговые преобразователи в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС). Это обеспечило их широкое применение для преобразования сигналов в информационно-измерительной технике, радиотехнике и приборостроении. Дальнейшее совершенствование ЦАП было направлено на улучшение электрических параметров, уменьшение массо-габаритных показателей, возможность использования в различных условиях эксплуатации.
Диапазоны выпускаемых современной промышленностью микросхем ЦАП и областей их применения в различных устройствах очень широки. Однако существующие ЦАП, за редким исключением, могут выполнять только линейные преобразования вида Ueblx=kUon. В то же время в различных областях техники необходимо с высокой точностью воспроизводить нелинейные функциональные зависимости. Например, такая необходимость возникает в системах обработки звука, в системах цифровой связи [88, 157], при построении функциональных генераторов [45], при разработке цифроуправляемых фазовращателей и калибраторов фазы [111, 113, 114, 116,
115, 117, 121]. Здесь следует отметить, что зависимость фазового сдвига от изменения регулируемой величины всегда нелинейна.
Созданию теории, методов и средств преобразования и математической обработки сигналов посвящены работы отечественных и зарубежных учёных: Смолова В. Б., Угрюмова Е. П., Чернявского Е. А., Фомичева В. С. Алексеева Г. И., Сапельникова В. М., Гоца С. С., Бекмуратова Т. Ф., Чье Ен Уна, Гитиса Э. И., Смита Б., Канеко Г., Ли К. Ф. Е., Санчеса-Синенсио Э., Вуда П., Тейлора Д. и др.
Развитие данного направления началось в 50—60-ых годах прошлого столетия, когда появилась необходимость вводить информацию с различных объектов в цифровые вычислительные машины и выдавать на исполнительные устройства и механизмы. Тогда же возникла необходимость создания функциональных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые в процессе преобразования формы информации осуществляли бы определенные вычислительные операции. Такие преобразователи, по существу, являются гибридными вычислительными устройствами и использовались в гибридных вычислительных системах.
В настоящее время совершенствование функциональных цифро-аналоговых преобразователей не теряет актуальности. Совместно с функциональными аналого-цифровыми преобразователями они находят применение в системах связи с импульсно-кодовой модуляцией [88]. В таких системах нелинейная передаточная характеристика имеет больше квантовых уровней полного выходного диапазона для малых сигналов и меньше для сигналов большой амплитуды. В сущности это уменьшает шумы квантования, связанные с малым сигналами (где они более заметны), и увеличивает шумы квантования для больших сигналов (где они менее заметны). Предпочтительной оказывается логарифмическая функция, которая позволяет обеспечить преобразование в соответствии с так называемым «/j-законом». Подобный закон, распространенный в Европе, называется «А-законом». «/j-закон» позволяет получить динамический диапазон около 4000:1 используя восемь разрядов, в то время как восьмиразрядный линейный преобразователь обеспечивает диапазон только 256:1.
Другим перспективным применением функциональных ЦАП является использование их в системах прямого цифрового синтеза («Direct Digital Synthesis», DDS), в качестве преобразователя «фазовый угол — sin». Несмотря на то, что в современных системах DDS роль преобразователя играет постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в ряде работ [172, 174, 177] показано, что с помощью функциональных ЦАП можно значительно снизить энергопотребление. Например, DDS AD9850 имеет отношение рассеиваемой мощности к тактовой частоте равное 1,4 мВт/МГц (при тактовой частоте 110 МГц). Система DDS с нелинейным ЦАП позволяет достичь величины 0,4 мВт/ МГц (при тактовой частоте 230 МГц).
Функциональные ЦАП являются ключевым элементом при построении цифроуправляемых калибраторов фазы. Преобразование по законам синуса и косинуса позволяет произвести вычисления с квадратурными напряжениями по формуле Эйлера н
T? 7Г Jx
Ueblx™cos{-x)Uex+ jsm{-x)Uex=Uexe 2 и получить требуемый фазовый сдвиг. Дискретность регулирования угла фазового сдвига определяется разрядностью функционального ЦАП и может быть сделана достаточно малой. Таким образом построены образцовые меры фазового сдвига [111].
Основная часть отечественной литературы, касающаяся вопросов построения функциональных ЦАП, относится к периоду развития гибридной вычислительной техники и нуждается в адаптации на современную элементную базу. В зарубежной литературе функциональные ЦАП (англ. «non-linear DAC»), как правило, рассматриваются применительно к конкретным техническим задачам без изучения общих принципов построения.
Широкое распространение функциональных ЦАП сдерживает несколько факторов. Во-первых, недостаточно изучены характеристики функциональных ЦАП при различных способах построения. Во-вторых, разработчики различных систем не всегда выделяют функциональные ЦАП в виде отдельного блока или устройства и вместо разработки универсального функционального ЦАП используют схемы, решающие узкие технические задачи.
Поэтому целью диссертационной работы является развитие теории функционального цифро-аналогового преобразования, исследование характеристик функциональных ЦАП, использующих сплайновую аппроксимацию, а также изучение возможности применения функциональных ЦАП в цифроуправляемых калибраторах фазы.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.
1. Сравнить существующие методы и способы вычисления значений элементарных функций при одновременном цифро-аналоговом преобразовании.
2. Произвести анализ способов сплайновой аппроксимации применительно к проблемам воспроизведения функциональных зависимостей.
3. Разработать математическую модель функционального ЦАП для выявления основных факторов, влияющих на результат преобразования.
4. Провести экспериментальные исследования функционального ЦАП с целью определения его характеристик и параметров. Сравнить результаты, полученные для функционального и линейного ЦАП.
5. Изучить возможности применения функциональных ЦАП, использующих сплайновую аппроксимацию, для построения цифроуправляемых калибраторах фазы.
Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, охарактеризовано состояние дел в этой области, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые-на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.
В первой главе дан обзор известных методов, способов и технических приёмов, используемых при построении как линейных, так и функциональных ЦАП. Произведена их классификация.
Вторая глава посвящена вопросам математического моделирования функциональных ЦАП, использующих аппроксимацию кубическими сплайнами.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований и их анализ.
В четвёртой главе рассмотрен вопрос применения разработанных функциональных ЦАП для построения калибраторов фазы.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
1. Предложена методика построения функциональных ЦАП, использующих каскадное включение линейных ЦАП для реализации сплайновой аппроксимации функциональных зависимостей. Тем самым развита научная база построения функциональных ЦАП.
2. Разработаны математические модели функциональных ЦАП и их структурных составляющих и проведено моделирование в программе М1сгоСар 7.
3. Изучены метрологические и инструментальные характеристики разработанных функциональных ЦАП. Показана возможность создания прецизионных приборов на их основе. Результаты подтверждены с помощью моделирования и на экспериментальном макете.
Практическая значимость. Исследован способ функционального цифроаналогового преобразования, который позволяет доступными аппаратными средствами решить задачу моделирования заданной нелинейной характеристики. Исследованы свойственные этому способу инструментальные и методические погрешности.
На основании проведенных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований разработаны функциональные ЦАП, основу которых составляют цепи каскадно включенных умножающих ЦАП. Программное обеспечение, разработанное в среде ЬаЬУГЕШ, достаточно универсально и может быть использовано при измерении характеристик различных ЦАП. •
Результаты работ апробированы на всероссийских и международных научно-технических конференциях:
• Межрегиональной научно-практической конференции «Системы качества и их метрологическая поддержка: от преподавания к сертификации» (Пенза, ПГУ, 2005г.);
• Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, ПГУ, 2006 г.);
• 12-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2006 г.);
• Всероссийской научно-прктической конференции «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации ПНП «Развитие АПК»» (Уфа, БГАУ, 2006 г.);
• 8, 9-ой Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, РНТО им. Попова, 2006, 2007 гг.);
• Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, КГТУ, СФУ, 2007 гг.).
На защиту выносятся:
1. Структурная и функциональная схемы функционального ЦАП, использующего каскадное включение линейных ЦАП для реализации сплайновой аппроксимации, и результаты теоретических исследований предложенного ЦАП, показавшие снижение методических погрешностей по сравнению с аналогичными решениями.
2. Математические модели функциональных ЦАП с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторов фазы на их основе.
3. Методика проведения эксперимента и полученные результаты, позволившие подтвердить правильность первоначальных теоретических исследований.
Методы исследований. В диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
При решении поставленной задачи использовались методы теоретической электротехники, разделы высшей математики: теория степенных рядов, теория интерполяции, среднеквадратичные приближения, теория сплайнов.
При составлении компьютерной модели и проведении вычислительного эксперимента использовались методы математического описания электрических схем, теории электрических цепей и методы статистической обработки результатов.
При проектировании основных узлов аппаратной части функционального ЦАП применялись основы теоретической электротехники, электроники, основы информатики, цифровой и вычислительной техники, информационно-измерительной техники, теория цифровой обработки сигналов.
Практическая реализация осуществлена путём компьютерного моделирования, создания алгоритма и программного обеспечения для проверки работоспособности и анализа характеристик функционального ЦАП. Программа для автоматизации эксперимента была написана на графическом языке программирования в среде ЬаЬУШХ'У. Ввод и вывод информации осуществлен программными средствами, предоставляемыми драйверами ОА()тх.
При проектировании устройства, разработке программного обеспечения для него, при моделировании и проведении математических расчетов на ЭВМ использовались программные комплексы: OpenOffice.org, MathCAD, Micro-Cap, Lab VIEW, Free Pascal, KiCad.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 17 печатных работ, из которых 5 статей в центральной печати, одна статья переведена и опубликована в зарубежной печати. 3 статьи опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основного текста, заключения, списка литературы из 177 наименований. Общий объём 172 страницы. В работе имеются 86 иллюстраций и 11 таблиц.
