додати матеріал


Моделювання та методи вимірювання параметрів радіокомпонентів електронних схем

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Воронезького державного ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

КАЛЮЖНИЙ ОЛЕКСІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Моделювання та методи вимірювання параметрів радіокомпонентів електронних схем

Спеціальність 05.13.12 - Системи автоматизації проектування

ДИСЕРТАЦІЯ

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник -

кандидат технічних наук, доцент Мірошник І.А.

Воронеж 2004

ЗМІСТ

Основні позначення та скорочення

ВСТУП

Глава1. ВИМІРЮВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ПРИ ВИЗНАЧЕННІ МОДЕЛЕЙ Радіокомпоненти

1.1. Структура елементної бази радіоелектронних

1.2. Зв'язок двополюсних і багатополюсних радіокомпонентів

1.3. Моделі радіокомпонентів

1.3.1.Общіе положення

1.3.2.Классіфікація моделей радіокомпонентів

1.3.3.Основние вимоги до моделей

1.3.4.Макромоделі пасивних радіокомпонентів

1.3.5.Встроенние макромоделі транзисторів

1.3.6.Макромоделі, що визначаються користувачем

1.3.7.Факторние статистичні моделі багатополюсних радіокомпонентів

1.4. Вимірювальні завдання

1.5. Висновки до розділу

Глава2. АЛГОРИТМІЧНІ МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ параметри макромоделі Багатополюсні РАДІОКОПОНЕНТОВ

2.1. Загальні положення

2.2. Матричне подання динамічних параметрів багатополюсників

2.2.1Определеніе Y і Z матриць

2.2.2.Ізмереніе матриць розсіювання в схемах з кінцевими активними навантаженнями

2.3. Вимірювання Y - параметрів багатополюсників з урахуванням паразитних параметрів вимірювальних ланцюгів

2.3.1 Паразитні параметри вимірювальних схем

2.3.2.Первий метод визначення Y - матриць з урахуванням паразитних параметрів вимірювальних ланцюгів

2.3.3.Второй визначення Y - матриць при комплексному характері полюсних навантажень і зразкових мір

2.3.4.Третій метод вимірювання - повне виключення впливу вхідного ланцюга вимірювального приладу на результати вимірювань

2.4. Калібрування вимірювальних ланцюгів

2.4.1.Ізмереніе динамічних параметрів двополюсних елементів

2.4.2.Определеніе динамічних параметрів зразкових мір

2.4.3.Аттестація паразитних параметрів контактно-з'єднувальних ланцюгів

2.4.4.Корректіровка Y - матриць за даними атестації контактно-з'єднувальних ланцюгів

2.5. Вимірювання у змінному базисі полюсних навантажень

2.6. Висновки до розділу

Глава3 ПЛАНУВАННЯ АКТІВНОГОФАКТОРНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ ФОРМУВАННЯ Макромодель Біполярний транзистор

3.1.Традіціонние підходи в галузі вимірювань ВАХ

3.2.Содержаніе планів активного факторного експерименту

3.3.Алгорітм обробки матриці

3.4. Алгоритм формування макромоделей біполярних

транзисторів

3.5. Висновки до розділу

ГЛАВА 4. ДОСЛІДЖЕННЯ В ГАЛУЗІ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ МОДЕЛЕЙ Радіокомпоненти

4.1. Калібрування зразкових мір в НВЧ діапазоні

4.2.Определеніе раціонального режиму вимірювання двополюсників в схемах з кінцевими навантаженнями

4.3. Вимірювання вольт-амперних характеристик біполярного транзистора

4.4. Висновки до розділу

ВИСНОВОК

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

ДОДАТОК А Модуль розрахунку оптимального режиму вухполюсніка в оболонці Mathcad

ДОДАТОК Б Файл даних для МПЛ

ДОДАТОК В Файл даних для МПЛ

ДОДАТОК Г Файл результатів розрахунку моделі транзистора н а основі ВАХ

ДОДАТОК Д Лістинг програми для розрахунку моделі транзистора на основі ВАХ

ОСНОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ І СКОРОЧЕННЯ

А - акустоелектронний компонент

АК - активний компонент

АФЕ - активний факторний експеримент

АФФ - аналітична факторна функція

БМ - бібліотека моделей

БТ - біполярний транзистор

ВЧ - висока частота

ВАХ - вольт-амперна характеристика

Г - гібридний компонент

Д - дискретний радіокомпоненти

ДП - двухполюсник

ДФЕ - дробовий факторний експеримент

І - інтегральний компонент

ІС - інтегральна схема

КФУ - коефіцієнт факторного рівняння

ММ - математична модель

МП - багатополюсників

МПЛ - матриця планування

ПК - пасивний компонент

ПФЕ - повний факторний експеримент

ПФУ - постійна факторного рівняння

Р - радіокомпоненти з розподіленими параметрами

РК - радіокомпоненти

РЕА - радіоелектронна апаратура

РЕЗ - радіоелектронних систем

САПР - система автоматизованого проектування

НВЧ - надвисока частота - точка спектру плану

ТСП - таблична факторна функція

ТФФ Теффі - табличне значення елементарної факторної функції

Ф - функціональний компонент

ФСМ - факторна статистична модель

ФЕ - факторний експеримент

Ц - цифровий компонент

ЦАМ - цифрова аналітична макромодель

ЕБ - елементна база

ЕОМ - електронно-обчислювальна машина

ЕС - електронна схема

Ефф - елементарна факторна функція

ВСТУП

Алгоритмічні методи широко використовуються для вимірювання та розрахунку параметрів математичних моделей (ММ) радіокомпонентів (РК) у системах автоматизованого проектування (САПР) електронних схем (ЕС). Це обумовлено тим, що на даний момент накопичено достатню кількість ММ РК, застосовуваних для проектування ЕС з використанням сучасних електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) та програмного забезпечення, наприклад PSpice [1].

Алгоритмічні методи застосовуються також для вимірювання параметрів РК на виробництві з метою проведення вхідного і вихідного контролю, стабільності технологічного процесу, проведення відбракування радіокомпонентів за різними параметрами.

До цього слід додати, що на території Росії, країн СНД і за кордоном налагоджено виробництво широкого асортименту стандартних РК, що визначає значну потребу у використанні таких методів вимірювання та зниженні вартості досліджень в даній області.

Дослідження поведінки РК, а також спроби їх опису за допомогою формул, графіків і т.д., тобто складання ММ РК, при зміні різних умов роботи і зовнішніх факторів з'являлися з моменту винаходу все нових і нових РК. Дані дослідження проводилися в основному без використання ЕОМ, що збільшувало термін і вартість розробок.

Поява алгоритмічних методів вимірювання було зумовлене кількома чинниками:

  1. Збільшенням кількості РК.

  2. Ускладнення проектованих пристроїв.

  3. Необхідністю зниження часу і вартості розробок.

  4. Появою ЕОМ, що задовольняють вимогам розробників електронних схем.

Вимірювання параметрів РК з використанням ЕОМ можна віднести до 60-70 років XX століття. Для цих цілей використовувалися ЕОМ з досить низькими параметрами і недосконале програмне забезпечення. Тому висока вартість і складність робіт не дозволили налагодити регулярне і комплексне дослідження в даному напрямі. Впровадження ЕОМ в цикл проектування висунуло на передній план алгоритмічні методи вимірювання параметрів ММРК.

Системне дослідження в цій області можна віднести до 70-80 років XX століття, тобто до моменту "комп'ютерної революції". Комплексний характер робіт в області моделювання радіоелектронної апаратури (РЕА) найбільш повно сформулював Логан [2,3], який пов'язав САПР РЕА з системним підходом, що включає в себе:

  1. Розробку ММ.

  2. Перевірку адекватності ММ.

  3. Опис розкидів параметрів.

  4. Вплив навколишнього середовища (температура, вологість, механічні дії і т.д.).

  5. Дослідження надійності і процесів старіння.

На підвищення точності вимірювань, зменшення термінів і вартості досліджень, розробок поряд із застосуванням ЕОМ великий вплив робить метод вимірювання. Тому вибір методу вимірювання має одне з основних значень.

Мета дисертаційної роботи полягає в:

  1. Аналіз розмаїття РК, застосовуваних САПР ЕС.

  2. Формуванні нових методів вирішення задачі вимірювання динамічних параметрів моделей РК.

  3. Формуванні моделі біполярного транзистора на основі ВАХ з використанням планування експерименту і нових методів вимірювання.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення точності вимірювання, швидкості, спрощення вимірювань за допомогою ЕОМ за рахунок використання найбільш ефективних методів вимірювання.

Предметами дослідження є:

1. Алгоритмічні методи вимірювання параметрів моделей РК.

2. Динамічна модель багатополюсників на основі Y-матриці.

3. Модель біполярного транзистора на основі ВАХ.

Виходячи з усього вищевикладеного, наукова проблема дисертаційного дослідження формулюється наступним чином.

Розробка алгоритмічних методів вимірювання статичних та динамічних параметрів моделей РК, формування ММ РК.

Дослідження спрямовані на:

1. Пошук шляхів підвищення якості ММ РК і РА на основі аналізу стану питань теорії та практики їх проектування, сучасних тенденцій розвитку.

2. Розвитку теоретичних положень щодо розрахунку та проектування ММ РК і РЕА

3. Розробку методів вимірювання та моделювання РК і РЕА на основі відомих теоретичних положень, нового методу розрахунку, результатів натурних випробувань.

Наукова новизна роботи полягає в:

1. Створення нової класифікації РК і моделей РК орієнтованої на САПР ЕС.

2. Розробці нових методів вимірювання параметрів моделей РК.

Практична цінність роботи полягає в наступному: 1. Використання запропонованих методів дозволяє скоротити час моделювання РК при забезпеченні заданої точності і реалізувати інтерактивний режим роботи користувача.

  1. На виробництві даний метод може бути застосований з метою проведення вхідного і вихідного контролю, контролю стабільності технологічного процесу, проведення відбракування радіокомпонентів за різними параметрами.

  2. Застосування розроблених методів підвищує надійність створюваних РК.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих робіт. З них 8 статей у міжвузівських збірниках наукових праць, 4 тез доповідей на конференціях.

Розроблені методи вимірювання впроваджені в навчальний процес на кафедрі "Радіоелектронних пристроїв і систем" Воронезького державного технічного університету, а також у виробничий процес на ВАТ "Електросігнал" м. Воронеж.

РОЗДІЛ 1 містить аналіз елементної бази РЕМ з точки зору її застосування в САПР ЕС, а також вироблено розподіл РК на ДП і МП радіокомпоненти; аналіз моделей РК з метою їх класифікації; виділено клас алгоритмічних моделей; сформульовані вимоги до моделей; розглянуті моделі пасивних, активних РК, транзисторів, факторні моделі; поставлені вимірювальні завдання.

РОЗДІЛ 2 є основною теоретичною главою і містить основні положення з розробленим методам вимірювання на основі базової методики.

У ній відбито базовий метод вимірювання параметрів ДП та МП на основі Y матриць, заснований на вимірюванні матриць холостого ходу, навантаженого режиму і вектора калібрувальних напруг. Вказані переваги і недоліки при вимірюванні даним способом.

Описано ідеальний метод вимірювання при використанні чисто активних навантажень, що враховує систематичні похибки.

Метод вимірювання при використанні одного векторного вольтметра.

Метод вимірювання при використанні декількох векторних вольтметрів або одного векторного вольтметра з кількома вимірювальними входами.

Описані переваги і недоліки даних методів для різних умовах вимірювального процесу.

ГЛАВА 3 містить порівняльний аналіз різних планів експериментів, теоретичні положення щодо формування моделі біполярного транзистора на основі ВАХ, алгоритми обробки МПЛ.

ГЛАВА 4 є дослідної, практичної главою. У ній

містяться результати досліджень і практичних вимірів. Проведено дослі дование можливості застосування стандартної зразковою заходи у вигляді

резистора поверхневого монтажу при вимірах за методиками описаним в ЧОЛІ 2, дослідження з визначення раціонального режиму вимірювання двополюсників, а також проведена розробка програми для проведення вимірювань за методикою описаною в ЧОЛІ 3 та її практична апробація.

РОЗДІЛ 1. ВИМІРЮВАЛЬНІ ЗАВДАННЯ ПРИ ВИЗНАЧЕННІ МОДЕЛЕЙ Радіокомпоненти

1.1. Структура елементної бази радіоелектронних схем

Елементну базу (ЕБ) радіоелектронних систем (РЕС) складає безліч різних радіокомпонентів (РК), на основі яких виробляється проектування РЕЗ. У самому загальному випадку ЕБ РЕЗ може бути представлена ​​структурною схемою, показаної на рис. 1.1.

Рис. 1.1. - Структурна схема ЕБ РЕЗ

Згідно зі схемою рис. 1.1 ЕБ РЕЗ може бути підрозділена на двополюсні (ДП) і багатополюсні (МП) РК, які в свою чергу можуть бути представлені пасивними (ПК) і активними (АК) РК. Під ПК будемо розуміти РК, у процесі функціонування яких не відбувається збільшення рівня потужності сигналу надходить на РК за рахунок додаткових джерел енергії. Решта РК будемо вважати активними.

АК і ПК пропонується розділити на наступні великі класи: 1. Дискретні (Д), що відрізняються закінченістю конструкції і готовністю до безпосереднього застосування в складних РЕЗ.

  1. Компоненти з розподіленими параметрами (Р), принцип дії яких заснований на використанні хвильових процесів в електромагнітних і Акустоелектронні пристроях.

  2. Акустоелектронні (А), що працюють на основі Акустоелектронні явища в твердому тілі.

  3. Функціональні (Ф), призначені для глибокої обробки електричних сигналів.

  4. Інтегральні (І), отримані за інтегральним технологіям.

  5. Гібридні (Г), отримані зі змішаних технологій.

  6. Цифрові (Ц), призначені для цифрової обробки сигналів.

Структурна схема рис. 1.1, по суті, відповідає класифікації ЕБ РЕЗ, орієнтованої на застосування РК в САПР.

1.2. Зв'язок двополюсних і багатополюсних радіокомпонентів

Поділ РК на ДП і МП досить умовне. Так, будь ДП залежно від способу включення в електричну схему можна розглядати як власне ДП або як МП, а саме чотириполюсник рис. 1.2.

а) б)

Рис. 1.2. - Варіанти включення ДП: а) як власне ДП;

б) як чотириполюсник; у - його повна провідність.

0,1,2 - вузли підключення до схеми.

З іншого боку будь-якої МП моно включити як ДП, наприклад з'єднуючи з загальною шиною всі полюси МП, крім одного.

При проектування РК та ідентифікації його параметрів необхідно враховувати область дії фізичних законів пов'язаних з його функціонуванням. Особливу увагу необхідно приділяти електрофізичних законам які визначають основні електричні параметри РК. У кожному конкретному випадку домінує одне з електрофізичних явищ, але також проявляється вплив і інших паразитних.

Кількість МП можна вважати безмежним так як МП проектується на основі ДП, а кожному реальному МП відповідає певний спосіб з'єднання складових його ДП.

1.3. Моделі радіокомпонентів

1.3.1.Общіе положення

Під моделлю РК будемо розуміти будь-математичний опис, що відображає з необхідною точністю його поведінку в реальних умовах.

Якщо РК є елементом електронної схеми, то його моделлю будемо називати математичний опис зв'язків між струмами і напругами, що виникають між його полюсами в статичному і динамічному режимах роботи. Зокрема моделями можуть бути рівняння вольт - амперних характеристик (ВАХ), диференціальні рівняння перехідних процесів, частотні характеристики і т.п. [4,5].

Математичну модель РК можна розглядати як деякий оператор, що ставить у відповідність системі внутрішніх параметрів , ... , сукупність пов'язаних між собою зовнішніх параметрів ... , . Вид функціонального зв'язку залежить від принципу дії РК, а зміст "Зовнішніх" і "внутрішніх" параметрів РК визначає його фізична суть і спосіб використання.

Так для моделей РК зовнішніми параметрами є струми і напруги, так як переважним методом розрахунку електричних схем є розрахунок по струмів і напруг [5].

Внутрішніми параметрами моделі РК можуть бути його електричні, електрофізичні або конструктивно-технологічні параметри.

Електричними будемо вважати параметри, які визначаються тільки при електричних вимірювань (коефіцієнти підсилення, крутість, вхідний і вихідний опору і т.п.). У деяких випадках це параметри "чорного ящика", яким важко додати фізичний зміст. Електричні параметри, як правило, є функціями електрофізичних і конструктивно-технологічних параметрів, які можна вважати первинними параметрами, а електричні - вторинними.

При розрахунку інтегральних схем (ІС) важливе значення має облік первинних параметрів з точки зору оптимізації процесу виготовлення ІС.

При розрахунках електронних схем, спроектованих на основі готових конструктивно завершених компонентів, що характерно для підприємств складальників радіоелектронних засобів (РЕЗ), достатньо володіти

інформацією лише про зовнішні параметри РК. По суті справи зовнішні параметри РК при цьому виконують функцію внутрішніх параметрів проектованого виробу.

1.3.2.Классіфікація моделей радіокомпонентів

Досить переконлива класифікація моделей РК, наведена в [5], відображена на структурній схемі рис. 1.3.

Рис. 1.3. - Класифікація моделей РК

Статичні моделі відображають лише зв'язок між постійними струмами й напругами, тоді як динамічні враховують частотні або тимчасові залежності параметрів РК, що виникають через вплив внутрішніх індуктивностей і ємностей РК.

За способом представлення моделі можуть бути задані аналітично, графічно або таблично. Звідси випливають поняття аналітичних, графічних і табличних моделей. Такий поділ потрібно вважати умовним. На практиці, як правило, широко використовують комплексні моделі РК. Наприклад, на графічних моделях типу еквівалентних схем для опису нелінійних елементів широко використовують аналітичні залежності, а обробка даних табличних моделей проводиться математичними методами по спеціально розроблених алгоритмів.

Аналітичні статичні моделі РК представляють звичайно у вигляді явних залежностей струмів і напруг, виражених у вигляді рівнянь ВАХ.

Динамічні моделі зручно представляти в неявному вигляді у формі диференціальних рівнянь [5].

Графічні моделі можуть бути представлені в двох видах: у формі графіків функціонального зв'язку струмів і напруг, у формі еквівалентних схем. Еквівалентні схеми наочні, але вимагають додаткового аналізу для отримання значень струмів і напруг, що істотно ускладнює загальну структуру схеми аналізованого пристрою.

Графічну статичну модель можна представити у формі графіків ВАХ або у формі статичної еквівалентної схеми. Графіки ВАХ не дозволяють їх безпосереднє використання, так як для їх введення в ЕОМ необхідні перетворення в цифрову форму. З іншого боку, еквівалентна схема вимагає додаткового опису у вигляді аналітичних залежностей між струмами і напругами нелінійних елементів, що входять до складу цієї схеми. Еквівалентна схема зручна для аналізу функціонування РК, модельованого цією схемою, а для розрахунку РЕЗ більш зручна відповідна їй аналітична макромодель, в яку включено математичний опис тих її елементів, параметри яких залежать від статичного режиму [5].

Табличні моделі являють собою таблиці відповідних графіків ВАХ. Отримані експериментальним шляхом, за якими розраховують відповідні режими РК. Для отримання таких таблиць доцільно використовувати теорію методів планування експерименту [5].

На практиці будь-яку з розглянутих моделей оформляють у вигляді бібліотечної підпрограми, задавши алгоритм обчислення необхідних для аналізу параметрів РЕЗ за даними аналітичних або графічних моделей.

Сучасний розвиток ЕОМ та вимірювальної техніки дозволяє серед аналітичних та графічних моделей виділити клас алгоритмічних моделей [5], які характерні тим, що внаслідок складності зв'язків між струмами і напругами розраховувати їх можна тільки чисельними методами, задавши алгоритм, метод обчислень. По суті це цифрові моделі, які реалізуються у вигляді підпрограм, що обробляють експериментальні дані на етапі підготовки даних або під час розрахунку РЕЗ.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Дисертація
72.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Моделювання та методи вимірювання параметрів радіокомпонентів елект
Методи і способи вимірювання діагностичних параметрів
Методи вимірювання параметрів стану навколишнього середовища і екологічних показників транспортних об`єктів
Аналіз та моделювання цифрових і аналогових схем
Використання схем економіко-математичного моделювання пенсійних виплат
Моделювання структурних схем в середовищі SIMULINK пакета MATLAB
Вимірювання параметрів і характеристик надвисокочастотних ліній св
Вимірювання параметрів і характеристик чотириполюсників ідентифікації
Вимірювання параметрів сигналу Структура оптимального вимірювача
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru