Контрольно-измерительная аппаратура электронной промышленности на основе фазового ядра: Теория и практика построения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.05, доктор технических наук Никонов, Александр Васильевич

• Никонов, Александр Васильевич
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Никонов, Александр Васильевич

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

Цель работы. Задачи исследований.

Методы исследований.*.

Научная новизна.'.

Народнохозяйственное и практическое значение работы.«.

Реализация результатов работы. 1*

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Апробация работы. Публикации. Структура и объём диссертации

1. АНАЛИЗ АРХИТЕКТУР И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ КИА ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

1.1. Функциональная и элементная база КИА.

1.2. Формирование тестового воздействия в системах.

1.3. Измерение параметров сигналов в системах

1.4. Метрологические характеристики систем.

1.5. Подсистема управления.

2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ КИА НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО ЯДРА.

2.1. Синхронизация процессов в системе.

2.2. Измерение параметров сигналов в системе.

2.3. Фазовый метод при формировании тест-сигнала.

2.4. Генерация тест-последовательности в КИА с фазовым ядром.

2.5. Вопросы метрологической аттестации.

3. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ КАК БАЗИСА ФАЗОВОГО ЯДРА.

3.1. Синхронизация на основе фазового метода.

3.2. Синтезаторы частот в подсистеме синхронизации.

3.3. Анализ моделей систем ФАПЧ.

3.3.1. Описание разностного метода решения обыкновенного дифференциального уравнения с запаздывающим аргументом.л.

3.3.2. Численный анализ приближений первого порядка.

3.3.3. Численный анализ приближений второго порядка

3.4. Динамические свойства подсистемы синхронизации.

3.5. Инерционность подстраиваемого генератора и переходные процессы в кольце ФАПЧ.

3.6. Точностные характеристики подсистемы синхронизации.

3.7. Параметрическая оптимизация подсистемы синхронизации.

4. ПОДСИСТЕМЫ КИА С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ СРЕДСТВАМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ.

4.1. Измерения и испытания в КИА.

4.2. Метрологическая аттестация в КИА.

4.3. Генерация тест-последовательности.*.

4.4. Формирование тест-сигнала.„.

4.5. Измерение параметров импульсных сигналов в системе.

4.6. Преобразование частоты при формировании и измерении параметров сигналов.:.'.'

5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КИА НА • ОСНОВЕ ФАЗОВОГО ЯДРА

5.1. Погрешность оценки и установки параметров сигналов

5.2. Скорость установления и время измерения параметров сигналов.

5.3. Структурная оптимизация подсистем и узлов по точности и быстродействию.

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРАКТИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ.,.

6.1. Экспериментальные исследования функциональных узлов.

6.2. Экспериментальные исследования базовых блоков и подсистем.

6.2.1. Генератор тест-последовательности.

6.2.2. Форматтер.

6.2.3. Канал записи.

6.2.4 Регулировка длительности.;;.

6.2.5. Регулировка частоты.

6.2.6 Измерение параметров сигналов.

6.3. Экспериментальные исследования и результаты внедрения разработки.

6.3.1. Низкочастотный генераторный модуль.

6.3.2. Система контроля динамического функционирования ИС.

6.4. Модуль динамического контроля функционирования как основа ИИС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контрольно-измерительная аппаратура электронной промышленности на основе фазового ядра: Теория и практика построения»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Разработке сверхскоростных интегральных сем, автоматизированного измерительного и испытательного оборудования ридаётся большое значение в ведущих промышленных странах мира. В США го программа сверхскоростных интегральных схем (ССИС) Министерства обо-шы, в СССР - в рамках программы "Параметр АГ" (по приказу № 215/С, пред-эиятие п/я Ю-9688). Одной из особенностей электронной техники является то, го основой её прогресса является опережающее развитие электронного машино-:роения. В основу разработки Национальной программы развития электроники в эссии положен раздел по оборудованию /1/. Качественные особенности в ре-ении проблемы создания оборудования нового поколения заключаются в сле-/ющем:

1) увеличение затрат на разработку нового поколения элементной базы (уз-эв, комплектов) электронного машиностроения. Затраты на элементную базу |)фективно окупаются, так как позволяют использовать принципы специализации и шфикации в производстве, модульность в проектировании и изготовлении.

2) Проведение поисковых и фундаментальных работ в области исследования эвых принципов и схем разрабатываемого оборудования с привлечением сил эссийской АН и высшей школы. Это создание принципиально новых образцов зорудования на основе новых физико-технических принципов, новых поколений сементной базы, систем ранней диагностики.

3) Увеличение затрат на повышение надёжности создаваемых образцов. Это >мплекс работ по совершенствованию систем обеспечения надёжности: методов ючёта, диагностики, распознавания приближающихся отказов; разработка соименных САПР.

При производстве изделий электронной техники (ИЭТ), выполняемом в )Льшом объёме, совершается значительное число операций контроля и кон-юльных испытаний - 30-40 % от числа элементарных технологических опера-га /2/. Их трудоёмкость и стоимость составляет 40-60 % трудоёмкости и стои-эсти всего производства. Данная работа не затрагивает бесконтактные испытает полупроводникового кристалла (электронно-лучевое тестирование, тестиро-ние лазерным лучом и эмиссионной микроскопии /3/), хотя её результаты целесо-5разно использовать для синхронизации процессов при 'у казанных испытаниях.

В большинстве случаев при моделировании работы проектируемых сверх-юростных схем формируются наборы входных сигналов, которые не может ►спроизвести ни одна испытательная система. Первым направлением решения ой проблемы является создание модулей специальных языков, с помощью ко-|рых программируются описания входных и выходных сигналов цифровых схем эмате, пригодном для разработки собственно тест-программ. То есть, пия подпрограммы, с помощью которых имитируется аппаратная конфигура-сонечной испытательной системы. Усложнение и специализация объектов ¡дований ведут за собой необходимость улучшения тактико-технических ж аппаратных средств, а программные средства указанного назначения все-стаются зависимыми от аппаратной чарти системы.

Проблема создания методов построения КИА для области очень высоких и )авысоких частот (ОВ-УВЧ), сочетающих в себе такие свойства, как быстро-гвие, прецизионность многоканальность и универсальность, в настоящее я является актуальной. Автоматизированное измерительное оборудование )) электронной промышленности, производимое и вновь разрабатываемое за ком и в России, не имеют обоснованной концепции развития, излагающей ципы построения систем для частотного диапазона до 3 ГГц и диапазона гнных параметров сигналов тестового воздействия и сигнала-отклика, фор-емых и измеряемых с разрешающей способностью и погрешностью в еди-: пикосекунд - сотни фемтосекунд /4-49/.

Проведённый анализ отечественной и зарубежной литературы по автомати-тнным измерительным и испытательным системам для изделий электрон-1ромышленности показал, что на верхних частотах требуемые высокие точ-1 задания временных и амплитудных параметров тест-сигналов не возмож-23 применения встроенных средств автокалибровки и измерения параметров шов. Не высокие точностные характеристики отечественной КИА опреде-ся не только структурным построением, схемотехническими решениями и гнтной базой, но также ограниченными функциональными возможностями и [ко-техническими данными встроенных средств измерений и калибровки. Искусственные объекты сложной организации макро и микроуровней (от до ИИС) требуют подтверждения достоверности их функционирования и )верности получаемых результатов измерений. Если при изготовлении БИС эдится измерение параметров изделий на стадиях производства и выходной золь (параметрический, функциональный, динамический), то при выпуске также можно выделить схожие стадии. В то же время, если в БИС часть [ади кристалла отводится для размещения схем, обеспечивающих возмож-> тестирования, то КИА не имеет аппаратно-программных средств, обуслав-ощих достоверность получаемой информации: процедуры калибровки, устал нуля, учёта нелинейности скорее можно отнести к средствам, обеспечи-щм выполнение основной измерительной операции. Для обеспечения досто-зсти информации, получаемой от КИА, также не всегда приемлем метод тес-?ания структурных единиц системы: трудно удовлетворить требованию полбнаруживающей способности теста; не всегда работоспособные в отдельно-эедства обеспечивают работоспособность системы в целом. 1ри работе КИА в дикосекундном диапазоне временных параметров и шик диапазоне тактовых частот можно констатировать:

L) период тактового сигнала и значение устанавливаемого временного пара-I должны быть однозначно и когерентно увязаны - минимизировать погреш-. установки значения тактовой частоты и сложно, и дорого; I) величины и дискрет временных параметров в пикосекундном диапазоне :и к существующим задержкам и флуктуациям момента переключения ком-гтов элементной базы. Следовательно, метод должен быть или минимальным 1ержкам и шумам, или обладать способностью подавления временного шума; i) в пикосекундном диапазоне величины кратковременной и долговремен-[естабильностей устанавливаемых параметров сравнимы по значениям с са-параметрами. Следовательно - или беспрерывная коррекция нестабильно-или метод, корректирующий сам себя;

I) перенос методов коррекции и самокалибровки в область высоких частот [жён с проблемами получения информации о величине неидентичности, [зации управления временной неидентичностью с необходимыми дискретом ностью.

Анализ отечественной и зарубежной литературы говорит, что лучшими тех-жими данными по параметрам чувствительность, точность и разрешающая Юность обладают фазовые методы.

Системы фазовой синхронизации нашли широкое применение при разработ-диотехнических устройств и систем, выполняя функции стабилизации час-ВЧ-ОВЧ-УВЧ-СВЧ (В-ОВ-УВ-СВЧ) генераторов, синхронизации процессов »разования, приёма и обработки информации в устройствах связи, навига-! локации, калиброванного задания фазовых сдвигов, синтеза сложных сиг; /50-66/ и т.д. Значительный вклад в развитие теории систем фазовой син-гзации (СФС) внесли труды отечественных и зарубежных учёных: B.C. Ду->го, Ю.Н. Бакаева, JI.H. Белюстиной, В.Н. Белых, В.И. Тихонова, Р.Л. Стра-■ича, C.B. Первачёва, В.Н. Кулешова, М.В. Капранова, Ю.Ф. Игнатова, A.A. жина, В.В. Шахгильдяна, R. Adler, F. Gardner, S. Gupta, D. Richman, H. Van , Z. Sobotka, A. Viterbi и ряда других. Сложились крупные научные коллек-в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, ряде городов Сибири. В дние годы интенсивно рарвивается теория СФС с элементами »етизации - в трудах М.И. Жодзишского, В Л. Карякина,, А.В: Пестрякова, Петрова, В.В. Шахгильдяна, В.Н. Федосеевой, В.А. Левина и других. Приме вопросы фазовой синхронизации изложены в большом количестве работ ственных и зарубежных авторов по проблемам спутниковой связи, ра

1 z ионавигадии, теории и практики синтеза частот. Однако потенциальные воз-шости систем фазовой синхронизации не исчерпаны, что подтверждается ре-штатами разработки фазовых принципов синхронизации в измерительной тех-е в трудах Жилина Н.С., Майстренко В.А. До настоящего времени в значило меньшей мере решены проблемы анализа и проектирования систем фазо-синхронизации с преобразованием частоты. На практике системы фазовой хронизации УВЧ диапазона содержат гетеродинные и стробоскопические эбразователи и делители частоты, которые оказывают не только существен-влияние на точностные и динамические характеристики систем синхрониза-, но и приводят к качественно новым явлениям. Проблема исследования пре-азования информационных параметров сигналов в диапазоне ОВ-УВЧ услож-гся тем, что до последнего времени сложную и не решенную проблему пред->лял анализ собственно преобразователей частоты (ПрЧ). В УВЧ диапазоне стические решения прецизионных преобразователей частоты содержат моду-табилизации промежуточной частоты на базе систем фазовой автоподстрой-астоты (ФАПЧ).

Проблема формирования электрических сигналов системами фазовой син-шзации с уровнями временных (фазовых) шумов в фемтосекундном диапазо-настоящее время не имеет принципиальных решений. Также не имеет прин-зальных решений проблема ввода испытательных воздействий в объект ис-[ований в указанных диапазонах частот и времён. Известна система ("System One" комп. Photon Dynamics, США /17/), использующая оптические методы ко для съёма электрической информации с объекта - проблема ввода воздей-й здесь не решена. А частота съёма информации не превышает значения 1 МГц. В области электроники и информатики создаются автоматизированные сис-j УВЧ диапазона, производящие установку (измерение) временных парамет-в субнаносекундной области, например АИО для изделий электронной тех-[. В них важную роль играют управляемые цифровые линии задеркки (ЦЛЗ), шогом определяющие как разрешающую способность, так и точность по [енным параметрам. Но существующие методы не позволяют достичг; разре-щей способности менее 50-100 пс и погрешности менее 50 пс. Отечествен-(КБ "Спецтехника", г. Минск) линии имеют разрешающую способность премируемой задержки 400 пс (погрешность не оговаривается), за рубежом D ф. ESC Electronics Corp., США) - задержку на отвод 5-200 не и погреш-ь 2 не.

Можно сказать, что КИА должна удовлетворять противоречивым каче-шым характеристикам: широкополосность и быстродействие, прецизион-е>, универсальность и многоканальность. Причем, проблема точности уста-и и измерения амплитудно-временных параметров важна в экономическом не: чем больше погрешность - тем более жёсткими должны быть критерии юля (допустимые предельные значения сигналов, принимаемых в качестве 1ых /10/). Это обусловлено тем, что для соответствия объекта исследований ческим условиям, следует установить предельные значения с учётом погости измерения. Чем больше погрешность - тем больше "запас", учиты-[ий погрешность, и тем большее число годных изделий отбраковывается в ?ссе испытаний, что ведёт к значительным затратам.

Зтвлекаясь от использования фундаментальных констант, приведенным требованиям к КИА электронной промышленности удовлетворяют именно ¡ые методы: обладают максимальными чувствительностью, достигнутыми точностью и мальным дискретом, позволяют получить любое число когерентных сигна-любом числе различных каналов; с увеличением тактовой частоты увеличивается точность задания одного и же временного сдвига фазовым методом, а ФАПЧ обладают свойством час-)го подавления временных шумов; фазовая автоподстройка астатична по частоте и может быть квазиастатич-: по фазе; системы авто подстройки фазы (АПФ) позволяют получить сигнал гласования практически с любой точностью в пикосекундном диапазоне 5н и любой области частот;

I) фазовые методы не имеют ограничений по частотному диапазону, а по дическому диапазону полностью перекрывают все технологии изготовления - т.е. универсальны.

Гаким образом, проблема использования фазовых методов как ядра архигек-КИА для электронной промышленности, разработка архитектуры таких пексов, а также теоретические исследования ряда аспектов применения в составе этих систем и решение задач практического применения результа-сследований является актуальным.

1рактическая реализация потенциальных возможностей фазовых методов гжена с решением ряда задач разработки эффективных систем ФАПЧ УВЧ 13она: обеспечения устойчивого и однозначного алгоритма функционирова-истем ФАПЧ с преобразованием частоты, минимизации погрешностей, обуянных межканальными связями (по паразитным каналам), параметрической /шзации систем ФАПЧ по критериям минимума погрешностей синхрониза-1ри ограничениях на время переходных процессов и минимума времени пе-щых процессов при ограничениях на уровень фазовых шумов; минимизации ш фазовых шумов систем ФАПЧ; учёте либо компенсации эффектов, обуянных задержками сигнала в элементах кольца синхронизации, и ряда дру-адач.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - развитие научно-технических основ построения, создание едрение концепции построения архитектуры быстродействующей широкопо-юй прецизионной многоканальной КИА с использованием устройств фазовой :ронизации в качестве ядра архитектуры КИА и в составе аппаратурных ;ств модулей.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленная цель достигается решением сле-щих основных задач исследований.

1) Выбор методов, позволяющих достичь высокой точности при исследова-электронных модулей в диапазонах В-ОВ-УВЧ, определение путей их ис->зования в подсистемах быстродействующих широкополосных многоканаль-универсальных автоматизированных систем.

2) Разработка архитектуры быстродействующих широкополосных многока-.ных универсальных КИА для исследования изделий электронной техники.

3) Решение методологических и научно-технических аспектов прецизионно-юрмирования и измерения параметров сигналов, относящихся к подсистемам сронизации и формирования тест-последовательности в субнаносекундном В-УВЧ диапазонах, в системах для исследования электронных модулей.

4) Совершенствование методов анализа и проектирования СФС с преобразо-юм частоты и развитие принципов построения на основе высокоэффектив-систем фазовой синхронизации устройств и модулей для систем автоматизи-шных измерений и контроля УВЧ диапазона с повышенным быстродействи-улучшенными точностными характеритиками и надёжностью.

5) Обобщение и развитие аналитических методов прикладной теории сис-фазовой синхронизации с преобразованием частоты, включающих: разработ-ттематических моделей, адекватно отражающих влияние преобразователей ты на характеристики систем синхронизации в УВЧ диапазоне; обобщение звитие новых методов анализа разработанных моделей.

6) Исследование прикладных аспектов преобразования частоты и поме-ицищенности систем фазовой синхронизации с преобразованием частоты.

7) Параметрическая оптимизация непрерывных и импульсных систем ЛЧ с преобразователями частоты различных типов.

8) Совершенствования принципов построения прецизионных устройств и улей на основе систем ФАПЧ с улучшенными шумовыми характеристиками.

9) Практическая разработка и внедрение созданных на основе полученных эдов прецизионных быстродействующих широкополосных устройств с тех-гскими характеристиками на уровне или превосходящих характеристики шх отечественных и зарубеясных устройств аналогичного функционального ачения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы различные методы ис-ований, базирующиеся на интегральном и дифференциальном исчислении, ии линейных и нелинейных систем, рядах Фурье и Вольтерра-Винера, теории ;рений и элементы теории дискретной обработки сигналов, методы анализа ем автоматического регулирования, методы аппроксимации, аналитическое и [енное моделирование на ЭВМ, методы статистической обработки результа-эксперимента.

Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждена экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разра-яных устройств.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научной новизной обладают следующие основные льтаты работы.

1. Новая концепция построения и архитектура КИА на основе фазового ядра, :крывающая частотный диапазон известных изделий электронной техники и ;печивающая в т.ч. исследование сверхскоростных изделий, позволяющая поять экономическую и техническую эффективность КИА.

2. Новые принципы построения модулей динамического контроля функцио-эвания сверхскоростных изделий радиоэлектроники с тактовыми частотами

ГГц и высокими метрологическими характеристиками на основе систем фа->й синхронизации.

3. Новое конкретизированное развитие методов построения модулей быст-гйствующих автоматизированных измерительных систем, использующие разданные структуры и позволяющие существенно увеличить тактовые частоты чность задания временных параметров тест сигналов.

4. Закон связи степени астатизма систем автоматической подстройки часто-шектрического сигнала и вида информативного параметра сигналов, исполь-юго в устройстве рассогласования системы.

5. Сочетание методов фазовой синхронизации и генерации тест-недовательности, позволяющее формировать тест-сигналы в пикосекундном пазоне.

6. Развитие метода фиксации мгновенных значений электрического сигнала формировании тест-сигнала и метода коррекции с применением системы ав-эдстройки фазы для выравнивания электрической длины-каналов в широкой осе частот.

7. Метод установки амплитуды тест-сигнала с использованием преобразования зты и принципа относительной оценки на сигнале промежуточной частоты.

8. Результаты сравнительного анализа быстродействия подсистем синхронии, генерации тест-последовательности, форматирования тест-сигнала на ос-систем фазовой синхронизации с преобразованием частоты, а также спосо-остроения подсистем и инженерные зависимости для расчёта времени пере-:ых процессов, учитывающих влияние отдельных блоков.

9. Конкретизированное развитие способов аппроксимации характеристик проводниковых нелинейных элементов и описания импульсных сигналов, аботанный метод решения нелинейного дифференциального уравнения, от-иощего процесс преобразования информативных параметров сигналов в боскопических кольцевых диодных преобразователях с обратной связью и )братной связи, обеспечивающий повышение точности анализа и сокращение ма вычислений.

10. Математические модели и способы анализа амплитудных и фазовых по-шостей стробоскопического преобразования сигналов. Аналитические выра-1я для расчёта погрешностей преобразования информационных параметров ,ных сигналов в стробоскопических преобразователях частоты. Полученные этические выражения для расчёта погрешностей и алгоритмы обладают но-ой и обеспечивают высокие точности расчетов.

11. Развитие метода решения сингулярно возмущенных дифференциальных нений, обеспечивающего ускоренную сходимость функционального ряда.

12. Результаты анализа решений дифференциального уравнения, описываю) изменение во времени разности фаз опорного и управляемого генераторов в це с идеализированной линией задержки.

13. Методика оценки инерционности систем фазовой автоподстройки часто-считывающая время установления колебаний в управляемом генераторе при ?нении управляющего воздействия.

14. Результаты анализа преобразователя "амплитуда - фаза - код" на основе емы ФАПЧ и оптимизации преобразователя по быстродействию и точности.

НАРОДОХОЗЯЙСТВЕННОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ задается в разработке, создании и внедрении модулей, блоков и узлов многока-.ных универсальных подсистем для КИА электронной промышленности, ра-ющих в широкой полосе частот с высоким быстродействием и точностью, позволило увеличить эффективность научных исследований в области соз-1я сверхскоростных ИЭТ и повысить достоверность контроля параметров из-ш и их функционирования при производстве.

Созданы новые теоретические и практические методы анализа и проектиро-я быстродействующих КИА и модулей контроля функционирования сверх-эстных ИЭТ на базе систем фазовой синхронизации, превосходящих по ряду метров лучшие зарубежные образцы и включающие следующее.

1. Модели и методы анализа систем ФАПЧ с запаздыванием, учитывающие ние инерционных свойств элементов систем синхронизации на их динамиче-характеристики в УВЧ диапазоне. Развитие методов анализа, обеспечиваю-высокую точность в УВЧ диапазоне при оценке погрешностей при преобра-нии частоты, на основе функциональных рядов Вольтерра-Винера. Методику иза точности стробоскопических преобразователей частоты, адекватно отра-щую влияние преобразователей частоты на технические характеристики ем ФАПЧ в диапазоне частот и амплитуд. Метод асимптотического разложе-решения сингулярно возмущенных дифференциальных уравнений распро-няется на задачи оценки нелинейных искажений в усилительных и преобра-тельных устройствах УВЧ и СВЧ диапазона.

2. Условия обеспечения однозначности алгоритма работы системы ФАПЧ с >бразованием частоты, обеспечивающих стабилизацию промежуточной оты преобразователей. Условия оптимального выбора параметров колец 14, минимизирующие погрешности задания угла фазового сдвига вследствие гния собственных шумов управляемых генераторов и межканальных связей щ ФАПЧ на точность задания фазового сдвига.

3. Свойство автостабилизации нелинейности амплитудной характеристики >боскопических устройств преобразования и выборки-хранения в режиме гократного считывания, что важно при параметрических измерениях. Схемрешения для реализации прецизионных устройств, переносящих амплитуд-[шовую информацию на низкочастотный сигнал.

4. Банк структурных схемных решений измерительной подсистемы для диа-)на частот до 3 ГГц, представляющей оптимальное сочетание блоков, реали-щих базовые методы - стробоскопического преобразования и фиксации мгно-ных значений сигнала с помощью стробоскопических УВХ с полным зарядом, адающей наибольшей точностью и помехоустойчивостью по сравнению с гими известными.

5. Банк структурных схемных решений прецизионных быстродействующих ибраторов фазы и синтезаторов частот для переноса фазового сдвига в разные диапазоны частот, и позволяющих повысить разрешающую способность корость переустановки задаваемого фазового сдвига, устранить неоднознач-ть задания начального фазового сдвига. Полученные результаты по быстро-:ствующим прецизионным калибраторам фазы и синтезаторам фазоманипули-анных колебаний УВЧ диапазона распространены на системы подвижной свя гетеродины УВЧ диапазона для синхронных радиоприемных устройств аппа-туры специального назначения, образцовые средства первого разряда поверки аттестации измерений угла фазового сдвига, временного интервала, электриче-:ой длины каналов, а также для синхронизации систем различного назначения.

6. Уточнённые данные по динамике систем фазовой синхронизации в диапа-не до 1 ГГц, обеспечивающие оценку влияния инерционности элементов колец нхронизации на полосу захвата, устойчивость и быстродействие.

7. Новые способы построения модулей временной задержки для использова-[Я в любых отраслях науки и техники при необходимости задержать с высокой чностыо импульсный сигнал, частота следования которого лежит в широкой лосе и в пикосекундном диапазоне. Использование модулей в электронной юмышленности, измерительной технике, метрологии позволяет получить сдви-тые с высокой точностью во времени и в широкой полосе частот сигналы для стем автоматизированных измерений и контроля для ИЭТ, для многоканаль-IX цифровых устройств измерения и синхронизации, для образцовых средств рвого разряда при метрологической аттестации и поверке измерителей времен-IX интервалов.

8. Разработан широкий класс фазовой измерительной аппаратуры и функ-юнальных узлов, обладающих техническими характеристиками на уровне лучах зарубежных изделий или превосходящих их по ряду параметров.

На 8 новых схемотехнических решений модулей подсистем с повышенными шическими характеристиками получены авторские свидетельства и патенты 1ИИГПЭ СССР и Российского агентства по патентам и товарным знакам /67-74/.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований и разра-ток диссертации использованы при проектировании и создании модулей для '4 А и систем диагностики параметров изделий электронной и радиотехнической омышленносги с интегрированными средствами метрологической аттестации, также устройств другого функционального назначения в соответствии с техни-скими заданиями на хоздоговорные и госбюджетные НИР по заказам НИИ и едприятий Министерства радиопромышленности СССР, Министерства элек-онной промышленности СССР, Государственного комитета по оборонным отелям промышленности РФ, Министерства общего и профессионального обра-вания РФ- Министерства по чрезвычайным ситуациям РФ. Также результаты следований отражены в отчётах по НИР, выполнявшихся в рамках научно-шических программ: КП НИР АН СССР "Измерительные процессы и систе-I", "Университеты России", межвузовской научно-технической программы аучное приборостроение", НТП "Университеты России" направление "Техни-ские университеты".

Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и вне-2ны следующие основные разработки.

1. Генератор-калибратор амплитуды высокочастотных сигналов ГКА-01 )едприятие п/я Р-6082, г. Москва).

2. Генератор временных интервалов ГВИ-4 (ХНО МВССО РСФСР/ [АСУР, г. Томск).

3. Разработка образцового генератора-калибратора амплитуды ВЧ сигналов// чет о НИР (закл.)/ Томск, ин-т АСУ и р/электроники (ТИАСУР): Руковод. Н.С. шин,- 16-81: № ГР 01818006768; Инв. № 02830060529,- Томск, 1983,- Отв. ис-лн. В.Е. Эрастов, A.B. Никонов.

4. Разработка КИА / Отчёт о НИР (промеж.)/ Омск, политехи, ин-т (ОмПИ): ков. Н.С. Жилин.- № 319; № ГР 0189002035392; Инв. № 02900035323,- Омск, 89,- Отв. исполн. A.B. Никонов.

5. Устройство для калибровки уровней ВЧ и СВЧ гармонических сигналов аучно-исследовательская лаборатория быстродействующих автоматизирован-[х систем ОмГТУ, г. Омск).

6. Гетеродин трёхсантиметрового диапазона для синхронного приёмного тройства аппаратуры специального назначения (ЦКБА, г. Омск).

7. Быстродействующий синтезатор частот УВЧ диапазона (Научноследовательская лаборатория быстродействующих автоматизированных систем лГТУ, г. Омск).

8. Теоретические основы построения АСКД изделий электронной техники и диотехнической промышленности// Отчет о НИР (закл.)/ Омск, политехи, ин-т >мПИ): Руков. Н.С. Жилин.- Ф02- 88; № ГР 01880024291; Инв. № 0188024291,-дск, 1990,- Отв. исполн. A.B. Никонов.

9. Прецизионный стробоскопический преобразователь (Научно-следовательская лаборатория быстродействующих автоматизированных систем яГТУ, г. Омск).

10. Разработка генераторного канала системы динамического контроля шкционирования// Отчет о НИР (закл.)/ Омск, политехи, ин-т (ОмПИ): Руков. С. Жилин.- № 350; № ГР 01900043904; Инв. № 02010059017,- Омск, 1991,- Отв. ;полн. A.B. Никонов.

11. Генераторный канал тестовых воздействий для испытательных систем [аучно-исследовательская лаборатория быстродействующих автоматизирован->ix систем ОмГТУ, г. Омск).

12. Динамическое функциональное и параметрическое измерения в АИС [ектронной промышленности// Отчёт о НИР (закл.)/ Омск, гос. тех. ун-т (Ом-ГУ): Руков. Н.С. Жилин,- Гр 10-94; № ГР 01950001808; Инв. № 02960002327,-мск, 1995,- Отв. исполн. A.B. Никонов.

L3. Генераторный канал системы динамического функционального контроля шетр-64" (КБИТ "Иртыш", г. Павлодар).

Многофункциональный автоматизированный генератор импульсов с нор-ванными параметрами (Научно-исследовательская лаборатория быстродей-эщих автоматизированных систем ОмГТУ, г. Омск).

15. Генератор импульсов с нормированными параметрами для модулятора ронного луча электронного микроскопа (ЦМИД ЛЭТИ, г. С.-Петербург).

16. Исследование проблемы построения датчиков на ПАВ// Отчёт о НИР .)/ Омск, гос. тех. ун-т (ОмГТУ): Руков. Н.С. Жилин,- ГР 11-94; № ГР 3001488; Инв. № 02960001796,- Омск, 1995,- Отв. исполн. A.B. Никонов.

17. Теоретические основы построения синхронизации цифровых многока-зых систем широкого назначения// Отчёт о НИР (закл.)/ Омск, гос. тех. ун-т ТУ): Руков. Н.С. Жилин,- Ф20-97; № ГР 01980003959; Инв. № 02990003533,-с, 1998,- Отв. исполн. A.B. Никонов.

Документы о реализации и внедрении результатов исследований приведены в ожении к диссертационной работе. езультаты работы использованы в учебном процессе в Томском институте и радиоэлектроники и используются в Омском государственном техниче-университете при дипломном проектировании, учебной и научно-здовательской работе студентов, на лекциях, лабораторных практикумах и курсовом проектировании по базовым дисциплинам "Электрорадиоизмере-, "Аналоговые устройства", "Цифровые измерительные устройства", "Ин-шционные измерительные системы" и по специальной дисциплине "Введе-в информационные технологии". С использованием результатов работы для shtob специальностей 064200 и 190700 "Информационно-измерительная тех", 190900 "Информационно-измерительная техника и технологии", 551500 [боростроение" изданы методические указания "Цифровые измерительные ойства" (1995 г.), учебное пособие "Измерительные приборы со средствами юлительной техники" (1996 г.), методические указания "Введение в инфор-юнные технологии" (1998 г.), поставлена лабораторная работа "Широкопо-ые измерительные синтезаторы частоты и фазы на основе систем ФАПЧ" и но руководство к ней (1999 г.).

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Концепция построения и архитектура КИА на основе фазового ядра, в коде в подсистеме синхронизации для обеспечения высокой точности и быстровия в широкой полосе частот в многоканальной системе используются сис-фазовой синхронизации с различной степенью астатизма, а временные про-.1 остальных подсистем КИА когерентно связаны с сигналами подсистемы эонизации, обеспечивающими фиксацию квазимгновенных значений пара-эв электрических сигналов в системе.

Защищается новый подход к генерализированному модульному содержанию для исследования ИЭТ, связи модулей между собой и алгоритм их взаимо-гвия, основанный на следующих представлениях физических процессов в : в основу формирования временных соотношений положены свойства аста-ости по частоте и по фазе систем фазовой синхронизации, формирующих ал рассогласования по скорости и по ускорению изменения информационно-фаметра; связь временного сдвига и угла фазового сдвига Дф электриче-сигналов частотой со = 2к£ определяется выражением М — Аф/со; формиро-е параметров выходных испытательных сигналов системы для объекта ис-ований (ОИ) и оценка значений параметров входных сигналов системы, по-ающих от ОИ, определяется фиксацией мгновенных значений выходных или ных сигналов системы, когерентных между собой и сигналом фиксации; в стве критерия минимизации погрешности измерений, обусловленных разыми факторами, служит минимум остаточного значения информативного метра системы фазовой синхронизации первого или второго порядка аста-га; фазовое ядро системы представляет собой образцовое средство не хуже юго разряда для её же аттестации, поверки и калибровки по временным и ам-тудным параметрам; элементная база в дискретном виде, а также в виде инте-ьных схем малой и средней степени интеграции, позволяет реализовать ап-пгные средства до частот 1,5-3 ГГц.

Защищается новый подход к способу считывания информации в электриче-1 узле, который обеспечивает достоверное измерение амплитудных и времен-параметров сигналов. При фиксации информации использован метод считы-1я мгновенного значения сигнала стробоскопическими устройствами выбор-ранения, расположенными в плоскости сечения розетки контактного устрой-I объекта исследований. В отсутствие стробимпульса влияние подсистемы ерений на объект минимально и результаты считывания, и результать1 изме-нй являются объективными.

Защищается новый подход к способу аттестации системы, при котором атте-5ия производится при подключённом объекте перед началом измерительных раций для конкретного типа объекта: с увеличением тактовой частоты теста стет влияние реактивных параметров элементов объекта, реактивных состав-ющих импеданса трактов передачи, что учесть крайне сложно. Поэтому точка сравнивания перекоса расположена в сечении розетки контактного устройства, несмотря на ухудшение согласования, считывается информация, находящаяся в оскости сечения розетки контактного устройства. Система с фазовым ядром [еет фактически интегрированное в её состав образцовое средство для метроло-ческой аттестации. Обеспечение достоверности амплитудных и временных па-метров сигналов, как и автокоррекции электрической длины каналов с помо-эю автоподстройки фазы, достигается использованием размещения точек сня-я информации в сечении розеток контактных устройств, что молено считать алогичным съёму электрической информации при минимуме влияния на объ-т. Проведение метрологических операций при подключённых источниках воз-йствия и нагрузках обеспечивает объективность аттестации.

Защищается новый подход к способу измерения параметров электрических гналов в системе, при котором метод фазового считывания сигнала при нали-и постоянного сдвига стробсигнала относительно исследуемого превращается стробоскопический. С помощью ФАПЧ формируются когерентные сигналы с чно заданным значением частоты. Фазовый сдвиг переносится на сигнал про-жуточной частоты и измеряется с высокой точностью. При шаге считывания вном нулю идёт многократное стробирование. Стробоскопический метод пре-¡разования частоты обладает наиболее широким линейным динамическим диа-13оном. Многократное считывание характерно свойством автостабилизации не-иейности амплитудной характеристики. Этот метод переносит амплитудную и оовую информацию на сигнал промежуточной частоты или постоянный ток с шой погрешностью, что позволяет провести прецизионное измерение.

2. Вид фазовой синхронизации, реализуемый в быстродействующей преци-онной системе вариационной автоподстройки частоты, в которой разностный [гнал вырабатывается по ускорению изменения информативного параметра (ва-[ации) сигналов на входах устройства рассогласования без введения дополни-льных каналов управления и подстраивает мгновенное значение сигнала [равляемого генератора, значительно уменьшая уровень его фазовых шумов, тособ вариационной автоподстройки состоит в операциях стабилизации ампли-дных значений сигналов на входах устройства рассогласования, вычитания их жженных значений, изменении разностным сигналом мгновенного значения сигнала [равляемого генератора, ведущего к уменьшению значения разностного сигнала.

Защищается новый подход к анализу быстродействующих прецизионных систем вариационной автоподстройки частоты, основанный на операциях: определение разности значений сигналов опорного и управляемого генераторов и связанного с нею значения выходного сигнала управляемого генератора, дифференцирование по времени которого даёт уравнение для .мгновенного значения выходного сигнала управляемого генератора. В отличие от известного, когда определяется мгновенное значение разности частот опорного и управляемого генератора и связанное с нею мгновенное значение разности фаз генераторов, дифференцирование которой по времени даёт дифференциальное уравнение для разности частот, новый подход позволяет оценивать точность автоподстройки системы в любой момент времени.

Защищается выявленный закон связи степени астатизма систем автоматической подстройки частоты электрического сигнала и вида информативного параметра сигналов, используемых в устройстве рассогласования системы. Закон определяет параметры выходного сигнала системы автоподстройки час-готы, по которым погрешность регулирования отсутствует, в зависимости от гараметра выходного сигнала, принятого для образования сигнала рассогласования опорного и управляемого генераторов в системе.

3. Широкополосный быстродействующий модуль синхронизации, содержащий многоканальные блоки синтеза угла фазового сдвига и синтеза тастот, охваченные цепями стабилизации промежуточной частоты, • спроектированными для получения требуемых динамических и точностных характеристик систем ФАПЧ с преобразованием частоты.

Защищается обобщение известных и разработка новых аналитических методов прикладной теории систем фазовой синхронизации с преобразованием частоты, повышающих эффективность применяемого математического ап-трата: а) разработанные математические модели преобразователей частоты, методы анализа и теория погрешностей, обеспечивающих высокую точность шализа погрешностей преобразования частоты сигналов в диапазоне ОВ-/ВЧ; ' б) разработанная методология построения математических моделей, по-;воляющая снизить порядок дифференциального уравнения, описывающего ;истему синхронизации с преобразованием частоты, и при использовании из-¡естных методов анализа базовых уравнений, получить адекватную оценку ¡лияния преобразователей частоты на точность синхронизации, динамические [ эксплуатационные характеристики систем; применение метода асимптотического разложения в ряд по малому пара-{ решений сингулярно возмущенных дифференциальных уравнений и ис-)вание ряда дискретных математических моделей систем ФАПЧ с запазды-}м позволило установить области эффективного применения моделей, оце-влияние задержек сигнала на длительность переходных процессов, полосы кания и захвата систем ФАПЧ.

X. Способы построения высокоточных модулей временной задержки им-шого сигнала, частота следования которого лежит в широкой полосе и в пи-сундном диапазоне.

Защищаются принципы построения генераторных, фазоизмерительных уст-гв и быстродействующих КИА на основе оптимизированных систем фазовой ронизации, позволяющие расширить функциональные возможности и значи-ю улучшить технические характеристики модулей временной задержки, гботанные с использованием предложенных принципов построения, методов аза и результатов параметрической оптимизации систем ФАПЧ с преобра-шем частоты устройства, аттестованные в органах Госстандарта и внедрен-в производство, превосходят по точности и быстродействию отечественные зйства, а по ряду параметров и лучшие зарубежные образцы

5. Характер зависимости динамического и частотного диапазонов преобра-гелей частоты и стробоскопических устройств выборки-хранения по точно-)т электрического режима и параметров полупроводниковых приборов вы-ется по нелинейности амплитудной характеристики.

Защищаются условия получения повышенного динамического и частотного азонов для различных преобразователей частоты (гетеродинных, ключевых, боскопических) по точности по параметрам полупроводниковых элементов бразователей и управляющих (гетеродинных, стробимпульсов) сигналов, погнию рабочей точки преобразующих приборов. Использование систем стаби-ции промежуточной частоты, спроектированных на основе выводов и реко-щций, полученных при анализе динамических и точностных характеристик ем ФАПЧ по вторичным биениям, позволило улучшить технические и экс-гтационные характеристики преобразователей частоты УВЧ диапазона, в части, снизить фазовые погрешности ПрЧ до 0,1 градуса.

6. Быстродействующие измерители параметров импульсного сигнала на ос! систем ФАПЧ, реализующие метод интегральной оценки.

Защищается способ и математическая модель измерения амплитуды им-/льса, воздействующего на систему ФА11Ч в режиме синхронизма, но её реак-ш, и позволяющий работать в нано- и субнаносекундном диапазоне.

Защищается уточнение метода измереиия интегральных параметров импуль-I, заключающееся в том, что при выбранной модели импульса аналитически оп-щеляются интегральные параметры, причём для к параметров вычисляются 1с 1тегральных величин Бь Бг, 8з, позволяющие вычислить значения амплитуды, штельности фронта (среза) и длительности импульса как по основанию, так и ) уровню, равному половине амплитуды. Применение стробоскопических уст-)йств выборки-хранения (УВХ) позволяет принять как заряд запоминающего »иденсатора; 82 - как энергию запоминающего конденсатора; 83 определяется шедением подинтегральной функции, из чего следует, что при п—>оо, Бп - это ющадь импульса в его центральной части. Формируя импульс выборки УВХ ительностью от момента окончания фронта и до начала среза исследуемого гнала, стробУВХ заряжает запоминающий конденсатор зарядом, равным 8П: )жно считать, что Бз = Бц.

7. Широкополосные измерительные модули и прецизионные быстродейст-ющие калибраторы фазы и синтезаторы частот для переноса фазового сдвига в зличные диапазоны частот, и позволяющих повысить разрешающую способ-сть и скорость переустановки задаваемого фазового сдвига, устранить неодно-ачность задания начального фазового сдвига.

Защищаются структуры схемных решений измерительных модулей для диа-зона частот до 3 ГГц, представляющей оптимальное сочетание блоков, реали-ющих базовые методы - стробоскопического преобразования и фиксации мгно-нных значений сигнала с помощью стробоскопических УВХ с полным зарядом, ладающие наибольшей точностью и помехоустойчивостью по сравнению с угими известными.

Защищаются схемные решения по быстродействующим прецизионным ка-браторам фазы и синтезаторам фазоманипулированных колебаний УВЧ диапа-1а, распространяемые на системы подвижной связи, гетеродины УВЧ диапазо-, образцовые средства для поверки и аттестации измерений угла фазового зига, временного интервала, электрической длины каналов и синхронизации ;тем различного назначения.

8. Результаты расчётов и экспериментальных исследований, результаты жгической разработки узлов и блоков подсистем синхронизации, измерения, [ерациии тест-последовательности, формирования тест-сигналов, устройства инамического контроля функционирования, подтверждающие эффективность и остоверность проведённых научных исследований.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные разделы и результаты работы докладыва-ись и обсуждались на: научной сессии ЦП НТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, 1991,1994,1995,1997); на всесоюзных научно-технических конференциях (НТК) "Измерения и кон-роль при автоматизации производственных процессов" (Барнаул, 1982), "Осцил-ографические методы измерений" (Вильнюс, 1986), "Проблемы стандартизации повышения технического уровня автоматизированных систем различного на-начения" (Минск, 1988), "Развитие и совершенствование устройств синхрониза-ии в системах связи" (Горький, 1988), "Оптикоэлектронные измерительные уст-ойства и системы" (Томск, 1989), "Измерение параметров формы и спектра ра-иотехнических сигналов" (Харьков, 1989), "Современные проблемы фазоизме-ительной техники и её применение" (Красноярск, 1989), "Контроль и диагности-а радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники" (Пенза, 1990), УЬакропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990, 1996), совеща-иях "Точные измерения электрических величин" (Ленинград, 1985, 1988), Трактика автоматизации настроечно-регулировочных и контрольно-спытательных работ в производстве изделий радиоэлектроники, приборострое-ия и связи" (Ленинград, 1990); на международных НТК "Актуальные проблемы электронного приборо-гроения" (Новосибирск, 1990, 1992, 1994, 1998), "Нанотехнологии, наноэлектро-яка и криоэлектроника" (Барнаул, 1992), "Personal, Indoor and Mobile Radio ommimications PIMRC'94" (The Hague, The Netherlands, 1994), "Информационные ;хнологии и радиосети 96" (Омск, 1996), "1996 International Symposium Acous-lelectronics, frequency control and signal generation" (Moscow, 1996), "Спутниковые ютемы связи и навигации" (Красноярск, 1997); на всероссийских НТК с международным участием "Радиотехнические сис-;мы, средства измерений и новые информационные технологии" (Красноярск, )92), "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994), "Динами-i систем, механизмов и машин" (Омск, 1995, 1997); на всероссийских НТК "Повышение хсачества и эффективности устройств [нхронизации в системах связи" (Ярославль, 1993), "Состояние и проблемы тех-иеских измерений" (Москва, 1994, 1998), "Электроника и информатика" (Мо

27 ква-Зеленоград, 1995), "Датчик" (Москва, 1996), "Направления развития систем средств связи" (Воронеж, 1996); республиканской НТК "Генерирование, формирование и применение им-ульсных сигналов" (Вильнюс, 1987); региональной НТК "Радиотехнические измерения в диапазоне ВЧ и СВЧ" -Товосибирск, 1986).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации опубликованы в 134 работах: 14 гатьях в центральных периодических журналах (в том числе 3 статьи - в перево-ж в зарубежных изданиях); 9 статьях в сборниках трудов международных науч-э-технических конференций; 11 статьях в сборниках научных трудов Омского элитехнического института, Томского политехнического института, Рязанского щиотехнического института, Красноярского гостехуниверситета и Омского нашого вестника; 7 информационных листках Томского института АСУ и радио-гектроники и ХНО Минвуза РСФСР, Омского ЦНТИ; 9 описаниях патентов, ав-»рских свидетельств на изобретения; 22 научно-технических отчётах; 58 тезисах жладов НТК.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, ести разделов, заключения, семи приложений, списка использованных источ-1ков, включающего 297 наименований отечественных и 55 наименований зару-жных публикаций, содержит 520 страниц текста (в том числе основного 435 -раниц), 176 рисунков и 24 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин», Никонов, Александр Васильевич

Выводы по разделу 6.

Изложенное показывает возможность создания периодических и нерегуляр-импульсных последовательностей в широких диапазонах частот и амплитуд косекундном диапазоне с высокой точностью установки и регулирования па-;тров импульсов. Выходной сигнал формируется в уровнях, требующихся для :кта исследований. Усложнение выходного формирователя путём введения в варикапов позволяет сделать регулируемой длительность фронта (среза) им-,са (в сторону увеличения).

Мультиплексирование данных из нескольких каналов в один показывает, что такой конфигурации ОЗУ канала и обслуживании 4-8 каналов одним кон-лером реализуется непрерывная ТП до частоты 1024 МГц без перезагрузки, позволяет иметь ТП большой длины при небольшой ёмкости памяти канала. 1Я конфигурация ГТП - компромисс между требованием большого ОЗУ для мирования длинных ТП и быстрой перезагрузкой канала, не приводящей к рывам в генерации.

При практической реализации существенное влияние на фазовую неста-эность выходных сигналов блоков с ФАПЧ оказывает паразитное прохожде-сигналов, присутствующих на входах мультиплексоров. Такое прохождение юдит к деформации фронта (среза) выходного сигнала синтезатора частоты, симое изменение временного положения выходного сигнала синтезатора лег-честь при автокалибровке, так как данное изменение на фиксированной час: постоянно благодаря построению синтезатора на основе когерентного син. Использование специальных мер при трассировке плат синтезаторов позво-: снизить уровни паразитного прохождения входных сигналов и уменьшить эвое значение смещения выходного сигнала до значения 5-8 пс. Эксперимен-.но полученное суммарное среднеквадратичное значение временного шума одного сигнала синтезатора не более 7 пс при частоте 1 ГГц. Временные зависимости разности фаз опорного и подстраиваемого генера->в системы ФАПЧ, а также зависимости времени переходного процесса от мы, амплитуды и длительности входных импульсов подтверждают возмож-гь построения измерительного преобразователя на её основе. С помощью сис-ы ФАПЧ можно определять интегральные значения импульсов, а также их литуду и длительность.

Экспериментальные исследования базовых блоков подтверждают правомоч-гь выдвинутых теоретических положений и рекомендаций по проектированию систем КИА, возможность их реализации с применением существующей эле-тной базы.

431

Результаты, полученные в ходе работы, показывают возможность создания с высокими техническими и эксплуатационными параметрами, позво-щими проводить параметрические измерения и функциональный контроль на частотах не менее 1 ГГц. Технические решения позволят создать элемент-базу для комплектации БЭВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведённых исследований и разработок получены перечислен-ниже основные результаты.

1. Предложены концепция построения и архитектура КИА на основе фазово-[дра, перекрывающая частотный диапазон известных изделий электронной шки и обеспечивающая исследование сверхскоростных объектов, позволяюповыситъ экономическую и техническую эффективность КИА. В архитектуру ярированы средства метрологической аттестации, представляющие собой как эстоятельные модули, так и методические решения в составе фазового ядра. Предложены методы построения модулей быстродействующих автоматизи-шных измерительных систем, позволяющие существенно увеличить тактовые оты и точность задания и измерения временных параметров сигналов, воз-ггвующих на объект и поступающих от него.

Разработаны методы построения и анализа быстродействующих КИА и мот контроля функционирования сверхскоростных интегральных схем на базе ем фазовой синхронизации, превосходящих по ряду параметров лучшие за-;жные образцы.

Разработан широкий класс фазовой измерительной аппаратуры и функцио->ных узлов, обладающих техническими характеристиками на уровне лучших бежных изделий или превосходящих их по ряду параметров (разрешающая юбность, точность по амплитудным и временным параметрам в широком отном диапазоне).

2. Исследовано влияние инерционных свойств элементов систем сиихрони-[и на их динамические характеристики в УВЧ диапазоне, разработаны модели ¡тодология анализа систем ФАПЧ с запаздыванием.

Развит метод решения сингулярно возмущенных дифференциальных урав-ш, обеспечивающий ускоренную сходимость функционального ряда. Для анализа систем фазовой синхронизации с запаздыванием применён ме-асимптотического разложения в ряд по малому параметру, получены анали-¡ские выражения для первых трёх членов ряда, справедливые при произволь-характеристиках фазовых детекторов. Показана перспективность примене-полученных решений при малых нормированных задержках сигнала. Проведён анализ быстродействия подсистем синхронизации, генерации тест-[едовательности, формирования тест-сигнала на основе систем фазовой син-[изации с преобразованием частоты, получены принципы построения подсис-инженерные зависимости для расчёта времени перёходных процессов, учи-иощих влияние отдельных блоков.

3. Развиты математические модели, адекватно отражающие влияние преобразо-;лей частоты на технические характеристики систем ФАПЧ в диапазоне частот.

Развит метод анализа анализа погрешностей при преобразовании частоты на ове функциональных рядов Вольтерра-Винера, обеспечивающий высокую яость в УВЧ диапазоне.

Исследована проблема стабилизации промежуточной частоты образователей, определены требования обеспечения однозначности алгорит-заботы системы ФАПЧ с преобразованием частоты. • *

4. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования подтвер-ют необходимость и перспективность параметрической оптимизации подтемы синхронизации и СФС, на основе которых эта система построена. Так нынение уровня фазовых шумов в формирователе импульсов на 14-17 дБ пошет снизить СКО момента задания фронта/среза тактовых импульсов в диа->не частот 10-1000 МГц до 14ч-6 пс. Выбор полосы удержания и захвата с учё-инерционности и нелинейности элементов СФС позволяет обеспечить устой-зсть и надёжный захват в кольцах ФАПЧ, получить оценку быстродействия ге близкую к её значению в практических схемах, чем оценки, полученные из шза идеализированных моделей СФС. Параметрическая оптимизация непре-ных и импульсных систем синхронизации с преобразованием частоты прове-I по критериям точности и времени установления переходных процессов.

Предложены аналитические зависимости и рекомендации по параметриче-[ оптимизации непрерывных и импульсных систем фазовой синхронизации с )бразованием частоты. ' '

5. Развит метод фиксации мгновенных значений электрического сигнала при жировании тест-сигнала и метод коррекции с применением системы автопод-йки фазы для выравнивания электрической длины каналов в широкой полосе от.

Выявлено свойство автостабилизации нелинейности амплитудной характе-ики стробоскопических устройств выборки-хранения в режиме многократно-штывания, что ваяшо при измерении параметров сигналов.

Выявлено, что в отличие от ключевых преобразователей частоты, стробо-ических с полным зарядом, - стробоскопические с обратной связью, с мно-атным стробированием имеют сходные малые значения нелинейности АХ.

6. Исследовано влияние собственных шумов управляемых генераторов и канальных связей колец ФАПЧ на точность задания фазового сдвига, полу-I условия оптимального выбора параметров колец ФАПЧ, минимизирующих ешности задания угла фазового сдвига.

Изложены результаты минимизации уровня фазовых шумов в СФС, а также ени установления фазы в импульсных системах фазовой автоподстройки т.

7. Разработаны математические модели и методы анализа амплитудных и вых погрешностей стробоскопического преобразования сигналов. Получен-аналитические выражения для расчёта погрешностей и алгоритмы обладают зной и обеспечивают высокие точности расчётов. Моделирование подтвер-т теоретические выводы о наличии оптимальных значений параметров Зпреобразователей. На основании оптимизации методов измерений в диапа-частот до 1 ГГц синтезирована структура измерительной подсистемы, пред-шющая собой оптимальное сочетание блоков, реализующих два базовых местробоскопического преобразования и метода фиксации мгновенных значе-:игнала с помощью стробоскопических УВХ, обладающая наибольшей точ-эЮ и помехоустойчивостью по сравнению с другими известными методами. Основные выводы из моделирования следующие: а) применённые методы аппроксимации формы импульсных сигналов и полупроводниковых элементов в сочетании с разработанными методами и штмами решения НДУ значительно сокращают объёмы вычислений на ЭВМ шализе погрешностей стробпреобразования; б) полученные графики и аналитические выражения позволяют проводить метрическую оптимизацию СПОС и параметров стробсигнала; в) расчётные и экспериментальные данные подтверждают преимущества ме-фазового считывания как по точности, так и по линейности в динамическом азоне. г) современные направления реализации метода фиксации с помощью стро-эпических УВХ с полным зарядом эффективны при режиме многократного авания. В противном случае существенно влияние нелинейности амплитуд-[арактеристики на суммарную погрешность преобразования.

8. Сделан вывод об эффективности реализации единой подсистемы оценки енных и амплитудных параметров, позволяющей: а) осуществлять привязку сигнала считывания к исследуемому сигналу; б) работать в двух режимах: стробпреобразования и фиксации мгновенных 5ний сигнала; в) при работе подсистемы в указанных режимах оценивать амплитудную и енную информацию с техническими характеристиками, удовлетворяющими званиям на проектирование.

9. Разработана система вариационной АПЧ, в которой мгновенное значение )ты УГ подстраивается по ускорению изменения информативного параметра шов на входах устройства рассогласования. Передаточная функция по остаой разности напряжений на входах субстрактора системы АПЧ имеет посто-ш член, равный нулю, что говорит об отсутствии статической погрешности >азе. В АПЧ позволяет формировать синфазные выходные сигналы каналов, іенсировать шумы, возникающие внутри кольца регулирования, при условии, спектр шумового сигнала ограничен частотой, не превышающей верхнюю чую. частоту элементов схемы.

10. При решении проблемы динамических функциональных и параметриче-измерений в АИО электронной промышленности в диапазоне частот до ц решены следующие задачи: а) исследованы теоретические возможности измерений и испытаний предла-ыми методами, основанными на фазовом считывании сигнала; б) проведены экспериментальные исследования основных функциональных ьев, определяющих точностные характеристики предложенных методов. в) разработаны и доведены до функциональных схем структуры подсистем, говлены и исследованы макеты основных и узлов и блоков- подсистем, под-кдающие достоверность проведённых исследований и возможность их иракской реализации. г) проведена экспериментальная проверка подсистем КИА на основе фазо-нетодов. Экспериментально уточнена динамика систем фазовой синхронизации іпазоне до 1 ГГц, обеспечивающая оценку влияния инерционностей элементов д синхронизации на полосу захвата, устойчивость и быстродействие.

Таким образом, выполненная работа заключается в разработке новых поло-[й теории синхронизации измерительных и испытательных систем, совокуп-з которых позволила решить научно-техническую проблему, имеющую важ-іароднохозяйственное значение, по развитию научно-технических основ поїння, разработке и внедрению широкополосных быстродействующих изме-іьньїх и испытательных систем высокой точности в состав автоматизирован-оборудования электронной промышленности, что позволило исследовать и зводить сверхскоростные ИС, БИС. • *

4J0