Библиографическое описание:

Иоффе А. М., Пискаев К. Ю. Разработка программных средств синтеза и анализа весовых функций в среде MATLAB // Молодой ученый. — 2012. — №4. — С. 29-31.

Известным методом реализации интегрирующих АЦП (ИАЦП) с необходимыми частотными свойствами является метод весового интегрирования[1].Из множества возможных классов весовых функций (ВФ) – ступенчатых (одно- и многоуровневых) и непрерывных (например, тригонометрических и кусочно-полиномиальных) – технически наиболее просто и точно реализуются ступенчатые ВФ (СВФ), что и обусловило их преимущественное применение в интегрирующих цифровых средствах измерения.Например, применение весовых функций (ВФ) вида «1», «1 2 1», «1 3 3 1» и т.д., то есть простого суммирования ряда последовательных дискретных значений скользящего интеграла от входной величины с указанными весовыми коэффициентами, позволяет повысить подавление переменных составляющих входного сигнала до уровней порядка 30, 50 и 90 дБ соответственно [1].

Применение метода весового интегрирования в ИАЦП наиболее перспективно в области синтеза прецизионных интеллектуальных датчиков (ИД) – устройств, объединяющих в единое целое датчик физической величины, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство сопряжения с каналом связи. Использование ИД позволяет повысить метрологические характеристики информационно-измерительных систем за счет ликвидации протяженных линий связи между датчиком и АЦП, уменьшить нагрузку на каналы связи и высвободить вычислительные ресурсы за счет выполнения микропроцессором операций, связанных с калибровкой и учетом влияния параметров внешней среды на характеристики ИД [2].

Адаптация ИД к различным требованиям по критерию «точность-быстродействие» реализуется простым изменением времени преобразования. Другими словами, повышение точности в 2 раза, как правило, приводит к снижению быстродействия во столько же раз.Более эффективное управление данным критерием («точность-быстродействие»), возможно за счет использования в канале преобразования весового интегрирования. Такое решение является особенно привлекательным, в условиях всегдасуществующей ограниченности вычислительных ресурсов, систем телеметрического контроля ракетно-космической техники [2].

Построение эффективной подсистемы аналого-цифрового преобразования является нетривиальной задачей. Жизненный цикл разработки и контроля подсистемы подразумевает итерационное проведение процедур математического моделирования, имитационного моделирования, натурных экспериментов.

Аппарат весового интегрирования на сегодняшний день хорошо развит в теории, однако,при практической его реализации, возникают определенные трудности, связанные с ограниченностью характеристик элементной базы [3]. Очевидно, что для достижения максимального подавление шумов необходима точная реализации весовых коэффициентов. Классические схемные решения операционных усилителей или их современные модификации не обеспечивают стабильность коэффициента передачи на уровне 20 двоичных разрядов[4, 5]. Проведенный анализ показал, что на данном уровне технологии изготовления операционных усилителей их параметры существенно меняются в зависимости от знака коэффициента передачи, значения входной величины и схемы включения [3].

Таким образом, в процессе формирования заданной АФХ канала аналого-цифрового преобразования с помощью ВФ, необходимо решать задачусовершенствования математических моделей на основе данных имитационного моделирования, а также задачу верификации инструментов моделирования. Верификация инструментов моделирования проводиться путем сопоставления получаемых результатов для известных компонентов с теоретическими данными и результатами натурных экспериментов для этих же компонентов.

В настоящее время на рынке отсутствуют широкодоступные программно-технические средствасинтеза и анализа весовых функций для каналов ИАЦП. Данные средства должны предоставлять пользователям инструменты математического моделирования, имитационного моделирования, а также инструменты быстрого переноса получаемых решений на макетные испытательные стенды. Первым компонентом подобной программно-технической системы являются программные средства математического моделирования.

Для разработки первого компонента программно-технической системы был выбран пакет математического моделирования MathWorksMATLAB.MATLAB, как высокоуровневый язык технических расчетов и интерактивная среда разработки алгоритмов, по сравнению с традиционными языками программирования (C/C++, Java, Pascal, FORTRAN) позволяет на порядок сократить время решения типовых задач и значительно упрощает разработку новых алгоритмов.

Так как в настоящее время разработано большое число различных видов ВФ с различными свойствами, было решено на первом этапе ограничить набор ВФ разрабатываемой программы СВФ.Данный выборобусловлен тем, что СВФнаиболееперспективныдля реализации в канале аналого-цифрового преобразования интегрирующего типа [1].

Пользовательский интерфейс разработанной программы представлен на рисунке 1. При его проектировании преследовалась цель обеспечения простоты и наглядности для обычного пользователя. Задание параметров расчета ВФ и последующее их построение может осуществляться двумя способами (окна ввода данных представлены на рисунке 2). Ручной ввод предусматривает указание пользователем значений для подсчета ВФ, а мастер ввод предоставляет пользователю возможность выбора ограниченного числа типовых значений.

Рисунок 1 - Интерфейс программы.

Рисунок 2 –Окна ввода параметров расчета.

Метод весового интегрирования управляет работой преобразователя во временной области – необходимые веса и их длительности, задаются во времени. Однако результат их применения наиболее удобно наблюдать в частотной области. Поэтому в разработанной программе реализованы две системы координат (рисунок 3) в которых осуществляется одновременное построение графиков характеризующих одну и ту же ВФ в различных областях.Таким образом, был разработан программный продукт предоставляющий пользователю удобный инструмент проектирования ВФ во временной области, с анализом результатов в частотной области.


Литература:

  1. Э.К. Шахов, В.Д. Михотин.Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. – М.: «Энергоатомиздат», 1986г. - 144 с.

  2. В.А. Юрманов, К.Ю. Пискаев, М.В. Тюрин. Повышение точности интеллектуальных датчиков в составе систем мониторинга технически сложных объектов.// XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. Сер. Технические науки. – Пенза: ПГТА, 2011г. – № 04(04) – с. 107-116.

  3. А.В. Куц, К.Ю. Пискаев, В.А. Юрманов. Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Выпуск 5. Изд-во: ОАО «ЦНИ «Электроника», Москва, 2010г. С. 157-165.

  4. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. - 528 с.

  5. Материалы сайта http://www.analog.com [электронный ресурс]

Основные термины: весового интегрирования, весовых функций, параметрического синтеза, математического моделирования, анализа весовых функций, имитационного моделирования, аналого-цифрового преобразования, анализа газотурбинных двигателей, преобразования весового интегрирования, метода весового интегрирования, Метод весового интегрирования, Аппарат весового интегрирования, Реализация весового интегрирования, применение весовых функций, классов весовых функций, входной величины, Метод структурного, анализа энергоустановок, инструментов моделирования, реализации весовых коэффициентов

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle