1. Постановка задачи

При моделировании электронных схем с импульсными сигналами одним из важнейших требований является достоверное воспроизведение моделью формы импульса. В первую очередь, это требование относится к задачам моделирования схем измерительной аппаратуры. Авторами рассматривается одна из таких задач - исследование аппаратной части измерительного комплекса для исследования параметров электрических цепей, в частности, оценка погрешности преобразования сопротивления электрической цепи в напряжение при помощи измерительной схемы (ИС), построенной на операционном усилителе (ОУ). На вход ИС подается сформированное цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) опорное напряжение прямоугольной формы. Информация о параметрах исследуемой цепи получается в результате анализа выходного напряжения ИС. Весомый вклад в погрешность преобразования может вносить неидеальность параметров ЦАП, выходное напряжение которого отличается от идеального прямоугольного напряжения. Среди динамических параметров ЦАП, характеризующих его неидеальность, -отличное от нуля время установления выходного напряжения, конечная скорость нарастания выходного напряжения, наличие выбросов напряжения, сопровождающих переходной процесс и др. Среди статических параметров -отличное от нуля напряжение смещения, дифференциальная и интегральная нелинейности передаточной функции ЦАП.

В качестве примера рассматривается формирование импульсов опорного напряжения прямоугольной формы с помощью 12-разрядного ЦАП микроконвертора ADuC841 фирмы Analog Devices. Необходимо осуществить оцифровку выходного напряжения ЦАП с высоким разрешением, получить массив отсчетов и математическую функцию, его аппроксимирующую, а также описание этого напряжения с целью создания его модели для программ схемотехнического моделирования PSpice, OrCAD, MultiSim и др.

2. Описание решения

Для получения модели, достоверно воспроизводящей форму импульсного сигнала на выходе ЦАП, можно использовать высокоскоростные платы сбора данных, например, быстродействующий прецизионный модуль PCI 5122. Данный модуль позволяет производить выборку с частотой 100 МГц при разрядности 14 бит, а результат можно оценить визуально в программе NI Scope или проанализировав массив отсчетов оцифрованного напряжения. Проведя всего один эксперимент, можно узнать все нужные характеристики ЦАП, как статические, так и динамические, и получить исходные данные для составления модели напряжения, формируемого ЦАП.

На рисунке 1 показана блок-диаграмма виртуального прибора, разработанного для оцифровки напряжения на выходе ЦАП с максимально возможной частотой - 100 МГц.

Рисунок 1. Блок-диаграмма виртуального прибора для оцифровки напряжения, формируемого ЦАП.

Программа конфигурирует канал для высокоскоростного сбора данных -получения шести миллионов выборок с предельной частотой дискретизации -и записи их в файл для последующего возвращения к данным. Ко входу модуля PCI 5122 подключаются контрольные точки аппаратной части измерительного комплекса (рисунок 2), содержащей: измерительную схему на ОУ, микроконвертор ADuC841, в котором интегрированы исследуемый ЦАП и АЦП, а также инвертор опорного напряжения и буфер АЦП на ОУ. Все ОУ -AD823 фирмы Analog Devices. Инвертор опорного напряжения необходим, поскольку ИС инвертирует опорное воздействие, подаваемое на его вход, а АЦП имеет однополярный вход. Инвертор выполняет также функцию буфера ЦАП. Контрольная точка «1» - выход ЦАП, «2» - выход инвертора. Напряжение на выходе инвертора анализировалось с целью выявления вносимых им искажений опорного напряжения.

Полученная осциллограмма переднего фронта формируемого ЦАП опорного напряжения приведена на рисунке 3. По результатам эксперимента был сделан вывод о том, что реальные динамические характеристики ЦАП в используемом режиме работы лучше приведенных в спецификации на микроконвертор предельных значений параметров.

3. Используемое оборудование и ПО

Программное обеспечение измерительного стенда содержит: драйверы модуля PCI 5122 и среду графического программирования LabVIEW, в которой реализован виртуальный прибор (рисунок 1). Исследуемая схема управляется программным обеспечением измерительного комплекса.

Рисунок 2. Исследуемая схема.

Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП.

4. Внедрение и развитие решения

SPICE-модель оцифрованного импульсного сигнала может быть получена несколькими способами:

а) с использованием генератора цифровых сигналов, при этом в задании на моделирование в средах PSpice, OrCAD, MultiSim и др. указывается ссылка на файл, содержащий массив отсчетов опорного напряжения (инструкция FSTIM);

б) полученная осциллограмма импульсного сигнала аппроксимируется кусочно-линейной функцией PWL с указанием координат точек < t_n, y_n >, либо с указанием имени файла, из которого читаются координаты точек;

в) полученная осциллограмма импульсного сигнала аппроксимируется степенным многочленом или набором других, например, линейных, экспоненциальных, гармонических функций с определением скорости нарастания напряжения на его линейном участке, постоянной времени на экспоненциальном участке, частоты, амплитуды и постоянной времени затухания на колебательном участке переходного процесса; модель строится с помощью нелинейного источника напряжения, управляемого суммой напряжений независимых источников напряжения требуемой формы.

Пример: пусть фронт импульса описывается суммой линейно- и экспоненциально изменяющихся составляющих (рисунок 4):

где U- амплитуда импульса;

S - скорость нарастания линейно изменяющейся части фронта импульса;

τ - постоянная времени его экспоненциально изменяющейся части.

Рисунок 4. К определению параметров моделируемого сигнала.

Фрагмент SPICE-модели сигнала, изображенного на рисунке 4: V1 1 О PWL(0 0 t₁ (U-Sτ) (t₁+TSTEP) 0)

V2 2 0 PWL(0 (U-Sτ) t₁ (U- Sτ) (t₁+TSTEP) 0) V3 3 0 EXP((U- Sτ) U t₁ τ T τ₁)

E1 4 0 POLY(3) (1,0) (2,0) (3,0) 0 1 -1 1.

T и τ₁ - начало и постоянная времени заднего фронта импульса;

TSTEP - шаг вывода результатов расчетов переходного процесса в директиве TRAN.

Полученные указанными способами модели выходного напряжения ЦАП обеспечивают хорошую сходимость результатов моделирования и экспериментальных данных, подтверждая тем самым высокую эффективность применения аппаратных и программных средств National Instruments в экспериментальных исследованиях.

....................................................................................................