Гипотетическая измерительная структура и ее свойства

Кафедра: Общая Физика

Реферат

На тему: Гипотетическая измерительная структура и ее свойства

Москва, 2007 год

Прежде чем имеющийся реальный ИФР будет использован для вывода конкретных измерительных структур и их оптимизации, представляется целесообразной разработка гипотетической измерительной структуры на его основе, которая охватывает все его возможности с точки зрения организации, в данном случае радиофизических, измерений. Это позволяет принципиально решить вопрос совместимости и обусловленности ФМ в измерительных цепях, исключить в них дублирование ФМ, а также делает удобным вывод конкретных измерительных структур в процессе практического синтеза на основе требований проводимого радиофизического эксперимента.

Естественно, первым в составе измерительной цепи системы для радиофизических исследований всегда должен быть ФМ, совместимый с измеряемой радиофизической величиной, то есть ПИП. На его выходе измеряемая РФВ представлена в виде эквивалентного измеряемому процессу напряжения (или его смеси с шумом). То есть ПИП должен производить следующее преобразование [операторы взяты в соответствии с системой (3.4)]:

.

В таком же виде (или как частный случай) напряжение может измеряться непосредственно (без ПИП). Амплитудный и частотный диапазоны выходного сигнала должны быть известны, то есть u_s(t) [U_min, U_max], f_s [f_гmin, f_гmax]. Величина напряжения может не соответствовать оптимальным образом диапазону входных напряжений последующих ФМ, что приводит к увеличению методической погрешности. Поэтому возникает необходимость выполнения операции нормализации измеряемого сигнала ко входу соответствующего ФМ:

R_Н[u(t) + n(t)] = K_U [u(t) + n(t)],

где K_U -- коэффициент нормализации (коэффициент передачи).

Наличие в измерительной цепи УВХ после нормализатора обусловлено следующими причинами:

- обеспечение синхронной дискретизации измеряемых сигналов в многоканальной АСРФИ (вытекает из требований РФЭ);

- снижение мультипликативной составляющей погрешности аналогового коммутатора (см. п. 3.2):

- уменьшение дисперсии погрешности при структурной оптимизации АЦП (см. п. 3.2).

При этом УВХ выполняет следующую операцию:

R_УВХ{K_U [u(t) + n(t)]} = U_j,

где U_j [U_{сиг max}, U_{сиг min}].

Основные характеристики УВХ (диапазон входного напряжения и время хранения сигнала) являются фиксированными и определяются из следующих соображений. Диапазон входного напряжения УВХ будет выбран с минимальной методической погрешностью, если будет выполняться условие:

[U_{сиг min}, U_{сиг max}] [U_УВХmin, U_УВХmax],

где [U_УВХmin, U_УВХmax] -- границы диапазона входного напряжения УВХ. Время хранения аналогового сигнала в УВХ (t_хр) связано с требованиями РФЭ через время однократного измерения t_изм (t_хр = t_изм), которое, в свою очередь, определяется с использованием теоремы Котельникова:

t_изм 1 / (2f_в),

где f_в -- верхняя граничная частота в спектре измеряемого сигнала.

В случае, если АСРФИ многоканальная (n-канальная) и содержит аналоговый коммутатор (АК), на входах которого имеются синхронно стробируемые УВХ, то t_хр первого УВХ (t_хр1) определяется по значению f_в того сигнала, для которого она имеет наибольшее значение. Для остальных УВХ, с учетом последовательного опроса АЦП, t_хрi увеличивается пропорционально порядковому номеру канала (i), т. е.

t_хрi = i t_хр1, i =1, ..., n.

Наличие аналогового коммутатора (мультиплексора) в структуре АСРФИ после УВХ обусловлено необходимостью обеспечения измерений нескольких РФВ. Его основными характеристиками являются число аналоговых входов (n_АК -- определяется по количеству измеряемых РФВ) и диапазон входного напряжения, для которого, как и в предыдущем случае, должно выполняться условие:

[U_{сиг min}, U_{сиг max}] [U_АКmin, U_АКmax],

где [U_АКmin, U_АКmax] -- границы диапазона входного напряжения АК (при использовании в качестве АК ИМС они для всех входов одинаковы). Эти характеристики АК определяются в соответствии с требованиями РФЭ и являются фиксированными. АК должен передавать измеряемый сигнал без изменения, т. е.

R_АК [U_j] = U_j.

Однако АК является источником мультипликативной составляющей погрешности [41], варианты подавления которой приводятся в п. 3.4.

После прохождения указанных выше звеньев измерительной цепи, обоснованных с учетом требований РФЭ, сигнал полностью подготовлен для проведения аналого-цифрового преобразования. АЦП в измерительной цепи присутствует во всех рассматриваемых СРФИ. При этом он функционирует в соответствии со следующим уравнением измерений [40]:

U^*_j = R_АЦП [U_j(t)] = R_К R_Д U_j(t) = [U_j(t)]_kUq1,

где R_Д, R_К -- операции дискретизации и квантования напряжения; [U_j(t)]_kUq -- результат дискретизации и равномерного квантования этого напряжения (здесь q₁ -- параметр округления для аналого-цифрового преобразования).

При разработке АСРФИ, выход АЦП обязательно должен быть сопряжен с магистралью ЭВМ с использованием устройства сопряжения, основными параметрами которого являются число передаваемых через него разрядов в параллельном коде [q_УС (в нашем случае обе разновидности УС обеспечивают передачу данных параллельными кодами] и время задержки (t_зус). При этом никаких преобразований передаваемого сигнала УС не производит, т. е.

R_УС [[U_j(t)]_kUq] = [U_j(t)]_kUq.

Цифровая фильтрация сигнала, введенного в ЭВМ, производится при наличии аддитивной помехи в составе измеряемого напряжения, а также для предотвращения эффекта наложения спектров. При этом выполняется следующая операция:

R_цф [[U_j(t)]_kUq1]= F_Ц [[U_j(t)]_kUq1]_q2,

где F_Ц -- математические соотношения, реализующие ЦФ.

Дальнейшая обработка сигнала производится специализированным математическим обеспечением с целью получения измеряемой РФВ, ее представления или дальнейшего использования, а также формирования управляющих кодов для программно управляемых ФМ. При этом выполняется операция:

R_СМО [F_Ц [[U_j(t)]_kUq1]_q2m_U] = F_СМО [F_Ц [[U_j(t)]_kUq1]_q2m_U]_q3,

где F_СМО -- расчетные формулы и соотношения, входящие в состав СМО. Поскольку СМО включает также методы определения искомых радиофизических величин, то с точки зрения возможности их оптимизации, в их модели обязательно следует ввести (см. далее) параметр _т, характеризующий их точностные свойства в соответствии с выбранным критерием оптимизации (см. гл. 4).

При необходимости формировать управляющие воздействия для программно-управляемых ФМ в виде кодовых комбинаций управляющие коды вырабатываются управляющей программой по результатам текущих измерений:

R_Упр [F_СМО [F_Ц [[U_j(t)]_kUq1]_q2m_U]_q3] = F_Упр[F_СМО [F_Ц [[U_j(t)]_kUq1 m_U]_q2]_q3]_q4,

где F_Упр -- оператор формирования управляющих кодов. Управляющие коды могут формироваться как на ЦАП, так и на РгВыв, поэтому в модели этого оператора будут предусмотрены параметры n_ЦАП и n_Рг, указывающие количество разрядов соответствующих кодов.

Если требуется выдача из ЭВМ полученного в СМО управляющего или информационного сигнала в аналоговой форме, то производится это с помощью цифроаналогового преобразования, имеющего в операторной форме вид:

R_ЦАП [F_СМО [F_Ц [[U_j(t)]_kUq1]_q2]_q3] = u_ЦАП(t).

Следовательно, для исследуемого ИФР уравнение гипотетических измерений в операторной форме будет иметь вид:

^*_j = R_ЦАП R_Упр R_СМО R^-1_ПИП R^-1_Н R_цф R_УС R_АЦП R_Ком R_УВХ R_Н R_{ПИП j}, (3.10)

где R^-1_ПИП R^-1_Н -- операции, обратные R_ПИП и R_Н соответственно. При этом соответствующая гипотетическая измерительная структура в модельном представлении будет иметь вид:

М_ЦАП М_Упр М_СМО M^-1_s М^-1_Н М_цф М_УС М_АЦП М_Ком M_УВХ M_Н M_s. (3.11)

Поскольку в ней имеется информация о комбинировании ФМ, то теперь можно вывести обобщенные математические модели ФМ, входящих в ее состав. Для исследуемого ИФР они будут иметь вид:

М_s = {R_s(), (s)_s, (u_s(t) [U_min, U_max], f_s [f_{г min}, f_{г max}]), abs 0, inc М^-1_s} -- модель ПИП;

М_Н = {R_Н(), (s, М_s,)_Н, K_U, abs 0, inc М^-1_Н) -- модель нормализатора;

М_УВХ = {R_УВХ(), (s, М_s, М_Н)_УВХ, t_хр, abs 0, inc 0} -- модель устройства выборки и хранения;

М_АК = {R_АК(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ )_АК, n_АК, abs 0, inc 0} -- модель аналогового коммутатора;

М_АЦП = {R_АЦП(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК)_АЦП, f_АЦПmax, q_max, abs 0, inc 0} -- модель АЦП;

М_УС = {R_УС(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП)_УС, q_УС, t_зус, abs 0, inc 0} -- модель устройства сопряжения;

М^-1_Н = {R^-1_Н(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС)_Н, (K_U)^-1, abs 0,
inc 0} -- модель ФМ, производящего преобразование, обратное нормализации;

М^-1_s = {R^-1_s(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС, М^-1_Н)_s, abs 0, inc 0} -- модель ФМ, производящего преобразование, обратное ПИП;

М_цф = {R^-1_ЦФ(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС, М^-1_Н, М^-1s)_цф, t_зцф, abs М_аф, inc 0} -- модель ЦФ;

М_СМО = {R_СМО(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС, М^-1_Н, М^-1_s, М_цф)_СМО, _т, abs 0, inc 0} -- модель СМО;

М_Упр = {R_Упр(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС, М^-1_Н, М^-1_s, М_цф, М_СМО)_Упр, n_ЦАП, n_Рг, abs 0, inc М_s, М_УВХ, М_АК} -- модель управляющего модуля;

М_ЦАП = {R_ЦАП(), (s, М_s, М_Н, М_УВХ, М_АК, М_АЦП, М_УС, М^-1_Н, М^-1_s, М_цф, М_СМО)_ЦАП, abs 0, inc 0} -- модель ЦАП.

В структуре приведенных моделей ФМ содержится тип преобразования (описаны выше), вид измеряемого сигнала, модели ФМ, предшествующих данному ФМ (отмечены верхней черточкой у закрывающей скобки), характеристики данного ФМ, а также информация об обязательном отсутствии (abs) или наличии (inc) соответствующих ФМ.

Приведенная выше гипотетическая измерительная структура (3.11) является достаточно универсальной, с точки зрения формирования конкретных измерительных структур для проведения радиофизических измерений, и обладает следующими свойствами:

- в ней реализован алгоритм комбинирования, учитывающий все возможные функциональные преобразования измеряемого сигнала и исключающий возможность какихлибо перестановок входящих в измерительную цепь ФМ;

- если при формировании конкретной измерительной цепи какойлибо из указанных в ее составе ФМ, согласно требованиям радиофизического эксперимента, должен отсутствовать, то совместимость оставшихся соседних с ним ФМ сохраняется (принцип сохранения совместимости ФМ);

- наиболее специфичным звеном в приведенной гипотетической измерительной структуре является ПИП, остальные звенья обладают универсальностью (с учетом возможности коррекции их характеристик), позволяющей использовать их для синтеза других измерительных цепей РФЭ с использованием ПИП, не входящих в состав данного ИФР.

В составе данного ИФР все ПИП, нормализаторы, УВХ, АК являются безальтернативными, поэтому их характеристики, согласно [40], являются оптимальными по определению. Возможности для перебора различных вариантов измерительных структур в нашем случае определяются наличием пяти разновидностей АЦП, двух разновидностей УС и двух разновидностей ЦФ.

Полученные выше результаты исследований имеют достаточный уровень обобщения, чтобы быть применимыми к любому другому ИФР, имеющемуся в распоряжении разработчиков систем для научных исследований.

Литература

Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. 256 с.

Нефедов Е.И. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1979.

Неганов В.А., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Линейная макроскопическая электродинамика / Под ред. Неганова В.А. Т. 1. М.: Радио и связь, 2000. 509 с., ил. 123, табл. 5.

4. Дмитренко А.Г., Колчин В.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43. Вып. 9. С. 766-772.

Алферов Ж.И. Гетеропереходы в полупроводниковой электронике близкого будущего // Физика сегодня и завтра / Под ред. В.М. Тучкевича. Л., 1973.

Алферов Ж.И. Гетеропереходы в полупроводниковой электронике // Физика сегодня и завтра: Прогнозы науки. М.: Наука, 1975.

Алферов Ж.И., Конников С.Г., Корольков В.И. // ФТП. 1973. Т. 7.
С. 1423--1429.

Алферов Ж.И. Инжекционные гетеролазеры // Полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Я.В. Федотова. М., 1971.

Алферов Ж.И., Андреев В.М., Портной Е.Л., Протасов И.И. // ФТП. 1969. Т. 3. № 9. С. 1324--1327.

Алферов Ж.И. // ФТП. 1967. Т. 1. С. 436.

Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1985. 256 с.

Нефедов Е.И. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1979.

Неганов В.А., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Линейная макроскопическая электродинамика / Под ред. Неганова В.А. Т. 1. М.: Радио и связь, 2000. 509 с., ил. 123, табл. 5.

Дмитренко А.Г., Колчин В.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43. Вып. 9. С. 766-772.

Cooray M., Francis R., Ciric I. // IEEE Trans. 1989. V. 37. № 5. P. 608--615.

Zheng W., Shao H. // Radio Sci. 1991. V. 26. № 1. P. 191--197.

Приборы с зарядовой связью / Пер. с англ. под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982. 240 с., ил.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ.: В 2 кн.
2-е изд., перераб. и доп. М.: Мир, 1984. 456 с., ил.

Зегря Г.Г., Андреев А.Д. // ЖЭТФ. 1996. Т. 109. Вып. 2. С. 615--638.

Совкин В.В., Рубцов А.Н. // ЖЭТФ. 2000. Т. 118. Вып. 6. С. 1391--1401.

Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 248 с.

Гороховатский Ю.А. Основы термодеполяризационного анализа. М.: Наука, 1981. 174 с.

Ушуков Н.М., Гельбух С.С., Петросян В.И. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 11. С. 197--200.

Белявский В.И., Копаев Ю.В., Шевцов С.В. // ЖЭТФ. 1996. Т. 109.
Вып. 6. С. 2179--2188.

Гороховатский Ю.А., Губкин А.Н., Малиновский В.К. // ФТТ. 1982.
Т. 24. Вып. 8. С. 2483-2485.

Гороховатский Ю.А., Пономарев А.П. и др. // Мат. моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем. М.: Изд-во МИЭМ, 1985. С. 72--76.

Якимов Е.Б., Ярыкин Н.А. // ФТТ. 1980. Т. 22. Вып. 11. С. 3490--3492.

Аверкиев Н.С., Гуткин А.А. // ФТТ. 1998. Т. 40. Вып. 12. С. 2161--2164.

Вертопрахов В.Н., Кучумов Б..М., Сальман Е.Г. Строение и свойства структур Si--SiO₂--M. Новосибирск: Наука, 1981. 96 с.

Болотов В.В., Вишняков А.В. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 10. С. 145--154.

Атамуратов А.Э., Зайнабидинов С.З., Юсупов А. // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 9. С. 137-138.

Корнюшкин Н.А., Валишева Н.А., Ковчавцев А.П., Курышев Г.Л. // ФТП. 1996. Т. 30. Вып. 5. С. 914-917.

Методы исследования полупроводниковых материалов для приборов с зарядовой связью / Клюкин В.Э., Заярный В.П., Старцев В.С. и др. // Химия твердого тела: Межвуз. сб. Вып. 8. Свердловск, 1986. С. 79--88.

Установка для исследования глубоких центров в облученных полупроводниках / Заярный В.П., Легезо С.Л., Старцев В.С. и др. // Химия твердого тела. Свердловск: УПИ, 1986. С. 83--85.

Установка для исследования радиационных дефектов в облученных полупроводниках / Заярный В.П., Клюкин В.Э., Тюленев Л.Н. и др. // Тез. докл. на Свердловской НТК молодых ученых «Материаловедение
в атомной энергетике», 1986. Свердловск, 1986. С. 83--84.

Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища шк., 1983. 455 с.

Романов В.Н., Соболев В.С., Цветков Э.И. Интеллектуальные средства измерений / Под ред. д-ра техн. наук Э.И. Цветкова. М.: РИЦ «Татьянин день», 1994. 280 с., ил.

Иванов В.Н. // ПСУ. 1991. № 11. С. 2--3.