Навигация
Поиск
Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Применение осциллографического модуля с высоким разрешением для создания SPICE-модели импульсного сигнала

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.

Блок-диаграмма виртуального прибора для оцифровки напряжения, формируемого ЦАП

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.

Исследуемая схема

Рисунок 2. Исследуемая схема.

Осциллограмма выходного напряжения ЦАП

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 < tn, yn >, 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.

К определению параметров моделируемого сигнала

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.

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