МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Омельчук Наталія Анатоліївна

УДК 621.3.083.8

ВИМІРЮВАЛЬНІ ГЕНЕРАТОРНІ ЧАСТОТНІ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДЛЯ ПРОМИСЛОВИХ

МІКРОЕЛЕКТРОННИХ ДАТЧИКІВ

Спеціальність 05.27.06 –

Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Костенко Віталій Леонідович,

Одеський національний політехнічний університет

професор кафедри інформаційних систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Вікуліна Лідія Федорівна,

Одеський інститут сухопутних військ

Міністерства оборони України

професор кафедри вищої математики

кандидат технічних наук, доцент

Шутов Станіслав Вікторович

Херсонський державний технічний університет

доцент кафедри електронного машинобудування

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, кафедра мікроелектроніки, електронних приладів і пристроїв, м. Харків

Захист відбудеться 19 грудня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради К 67.052.03 в Херсонському державному технічному університеті за адресою: 73008 м. Херсон, Бериславське шосе, 24, тел. (0552)51-64-68

З дисертацією можна ознайомитись у науково – технічній бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008 м. Херсон, Бериславське шосе, 24

Автореферат розісланий "17 " _11 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Фролов О.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота сучасного технологічного устаткування в промислових умовах здійснюється в умовах значних електромагнітних перешкод, які створюються комутаційною апаратурою і, особливо, силовими напівпровідниковими перетворювачами. Ці електромагнітні перешкоди можуть спотворювати інформацію, яка збирається датчиками для систем керування, які входять до складу устаткування. З іншого боку, у сучасному технологічному устаткуванні підвищуються вимоги до точності параметрів технологічного процесу, що вимірюються, і до надійності функціонування технологічного обладнання у цілому. Відповідно до цих вимог, самі системи управління технологічним обладнанням розвиваються у напрямку цифрових, зокрема, мікропроцесорних систем (МПСУ), які потребують цифрової форми відображення інформаційних даних.

У цих умовах частотні датчики в порівнянні з аналоговими виявляються більш стабільними і надійними. Крім того, вимір частоти чи періоду вихідного сигналу датчика в МПСУ здійснюється з точністю в середньому на 3 порядки вище, ніж вимір амплітуди, причому відпадає необхідність в аналого-цифровому перетворювачі у складі системи управління. Серед частотних датчиків особливе місце займають датчики генераторного типу, що містять вимірювальні частотні перетворювачі (ВЧП), які забезпечують безпосереднє перетворення зміни інформаційного параметра чутливого елемента в зміну частоти (або періоду) вихідного сигналу датчика. У цьому випадку, такі показники вимірювального частотного перетворювача як стабільність, лінійність і т.п., визначають якість частотного датчика в цілому і, відповідно, удосконалення цих показників необхідно для удосконалення якості частотних датчиків генераторного типу.

Таким чином, задача дослідження і створення вимірювальних пристроїв для технологічного обладнання, які б дозволили з високою точністю фіксувати необхідні параметри технологічного процесу в умовах роботи на тлі електромагнітних шумів, і тим самим підвищили надійність функціонування технологічного обладнання у цілому є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по темі дисертації проводилися у відповідності з проектом №7– 1М/98 рег.№ 0198U007691, що виконувався на кафедрі фізичної і біомедицинської електроніки ЗДІА в складі комплексної програми координаційного плану, сформованого експертною Радою Міністерства освіти України по спеціальному напрямку “Приладобудування” (наказ №271 від 15.08.96 р.), складовою частиною якого були розробка, аналіз та дослідження частотних датчиків технологічного одладнання.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є розробка і дослідження автогенераторних ВЧП для мікроелектронних частотних датчиків технологічного обладнання, пошук і теоретичне обґрунтування нових ефективних прийомів удосконалення схемних рішень і технічних характеристик як відомих, так і розроблених ВЧП, обґрунтування і проведення уточнюючих експериментальних досліджень розроблених ВЧП.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні задачі:

- аналіз існуючих вимог до мікроелектронних частотних датчиків на шляху поліпшення їх технічних характеристик, і обґрунтування вибору напрямку розробки ВЧП;

- розробка нових схемних рішень ВЧП і методики розрахунку параметрів схем автогенераторів для ВЧП;

- теоретичні й експериментальні дослідження технічних характеристик розроблених ВЧП як нелінійних систем, виявлення факторів, що впливають на стабільність їхньої роботи;

- оптимізація відомих і пропонованих ВЧП за критерієм стабільності нуля;

- розробка й обґрунтування методик експериментальних досліджень зразків пропонованих ВЧП;

- розробка й аналіз багатофакторної математичної моделі нелінійності характеристики перетворення пропонованих ВЧП;

- апробація нових схемних рішень ВЧП у складі МПСУ технологічного устаткування для ультразвукового зварювання.

Об'єктом дослідження у дисертації є характеристики автогенераторних частотних датчиків, призначених для технологічного обладнання напівпровідникового виробництва.

Предметом дослідження є схеми ВЧП та електромагнітні процеси в них.

Методи дослідження, використані в роботі: методи теорії електричних кіл, метод гармонічних складових, методи теорії систем автоматичного регулювання, зокрема, метод Блак'єра для аналізу електромагнітних процесів у схемах ВЧП, а також методи чисельного інтегрування для розв'язання систем нелінійних рівнянь, методи регресійного аналізу для оптимізації параметрів ВЧП датчиків, методи математичної статистики для розрахунку шумових моделей автогенераторів, методи планування експерименту під час фізичного моделювання. Для перевірки теоретичних результатів також використовувались методи комп'ютерного моделювання з застосуванням програмних продуктів: Mathсad 2001 Professional, Micro-Cap 6.0.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукові положення:

У технологічному устаткуванні для поліпшення відносини сигнал/шум, доцільно використання частотних датчиків автогенераторного типу, що перетворюють зміну інформаційного параметра чутливого елемента в зміну періоду коливань вихідної напруги.

Установлено, що висока швидкодія і стабільність періоду вихідного сигналу генераторних частотних датчиків технологічних параметрів забезпечується включенням нелінійних хронуючіх ланцюгів у коло позитивного зворотного зв'язку при наявності лінійного кола негативного зворотного зв'язку.

Наукові результати:

- розроблено нову схему RC-генератора, що дозволяє створювати мікроелектронні частотні датчики генераторного типу з лінійною характеристикою перетворення для технологічного обладнання;

- розроблено і проаналізовано нові схеми ВЧП;

- вперше розроблено методику аналізу нестабільності початкової частоти, а також рекомендації з поліпшення параметрів схем, як для нових, так і для відомих ВЧП, які використовуються в технологічному обладнанні, що дозволяють підвищити стабільність початкової частоти на 25-100%;

- вперше показано, що поріг чутливості автогенераторних датчиків визначається флуктуаційною нестабільністю частоти датчика, основний внесок у який вносять шуми операційного підсилювача і кола негативного зворотного зв'язку (НЗЗ);

- розроблено нові шумові моделі різних схем автогенераторів, що дозволяють оцінити флуктуаційну нестабільність частоти (періоду) вихідного сигналу ВЧП для датчиків технологічних параметрів;

- вперше розроблено методику розрахунку параметрів нової схеми RC-генератора з діодно-ємнісним фазозміщувачем для ВЧП датчиків технологічних параметрів;

- вперше розроблено багатофакторну математичну модель нелінійності характеристики перетворення для пропонованих ВЧП датчиків технологічних параметрів;

- розроблено нову математичну модель чутливого елемента на основі комбінованого діода Шотткі з можливістю його адаптації до умов роботи датчика.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

- у застосуванні запропонованих у дисертаційній роботі нових схем ВЧП на базі RC- генераторів для розробки нового і модернізації наявного технологічного устаткування у технологічних системах, де потрібно оперативне керування ходом технологічних процесів з підвищеними вимогами до швидкості обробки інформації і швидкості формування керуючих впливів;

- при проектуванні і виготовленні сучасних швидкодіючих, високоточних датчиків з можливістю адаптації до умов функціонування;

- для аналізу й обліку факторів, які впливають на вірогідність інформації, що знімається датчиками технологічних параметрів з об'єкта в промислових середовищах забруднених електромагнітними шумами;

- для підвищення стабільності роботи датчиків технологічних параметрів в умовах електромагнітних перешкод.

На основі аналізу динамічних процесів у RC- генераторах з діодно-ємнісним фазозміщувачем розроблені ВЧП для датчиків технологічних параметрів з лінійною характеристикою перетворення вхідного параметра у період вихідного сигналу датчика з підвищеними швидкодією, стабільністю початкової частоти, які стійкі до електромагнітного шуму.

Наукові положення, висновки і рекомендації використані ТОВ "ЕЛЕМЕНТ-ПЕРЕТВОРЮВАЧ" під час розробки мікропроцесорної системи управління в обладнанні для ультразвукового зварювання контактних виводів для зборки силових модулів на базі IGBT, монтажу та герметизації гібридних схем.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

у розробці та дослідженні нової схеми RC-генератора, що дозволяє створювати мікроелектронні частотні датчики автогенераторного типу з лінійною характеристикою перетворення для технологічного обладнання електронної техніки; у розробці методики аналізу нестабільності початкової частоти, а також рекомендацій з оптимізації параметрів схем, як для нових, так і для відомих ВЧП, які використовуються в технологічному обладнанні; у розробці нових шумових моделей різних схем автогенераторів, які дозволяють оцінити флуктуаційну нестабільність частоти (періоду) вихідного сигналу ВЧП; у розробці методики розрахунку параметрів нової схеми RC-генератора з діодно-ємнісним фазозміщувачем для ВЧП датчиків технологічних параметрів; у розробці багатофакторної математичної моделі нелінійності характеристики перетворення для пропонованих ВЧП технологічних параметрів та математичної моделі чутливого елемента на основі комбінованого діода Шотткі з можливістю його адаптації до умов роботи датчика; у плануванні та проведенні експериментальних досліджень макету частотного датчика, у розробці МПСУ установкою ультразвукового зварювання.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях: "Удосконалювання пристроїв пам'яті інформаційних, комп'ютерних і робототехнічних систем", Одеса, Україна, 1988р.; "Сучасний стан, проблеми і перспективи енергетики і технології в енергобудуванні" (IV Бенардосовські читання), Іваново, 1989 р.; "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації", Харків, Україна, 1998 р.; "Стан і проблеми вимірювань", Москва, Росія, 1999, 2000 рр; "Датчик – 2000" і "Датчик – 2001", Москва, Росія, 2000, 2001 рр; "Проблеми сучасної електротехніки", Київ, Україна, 2000, 2002 рр; "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах". – Хмельницький: ТУП, 2002, 2003 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 наукових робіт, в тому числі: 1 монографія, 5 статей у наукових фахових виданнях, 1 патент, 9 робіт у матеріалах і тезах конференцій, 1 звіт з науково-дослідної роботи, 2 статті у наукових збірниках.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів і висновків. Загальний обсяг роботи складає 180 сторінок. Робота містить 60 рисунок, 5 таблиць, 3 додатки, список використаних джерел складає 113 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, викладено основні наукові та практичні результати роботи, наведено інформацію про особистий внесок автора, про апробацію результатів роботи та публікації.

У першому розділі розглянуто тенденції розвитку вимірювальних інформаційних пристроїв для технологічного устаткування електронної техніки; виконаний порівняльний аналіз мікроелектронних датчиків технологічних параметрів з аналоговим і частотним вихідним сигналом.

Показано, що для підвищення випуску придатних виробів необхідний моніторинг технологічного процесу, здійснюваний мікропроцесорною системою керування устаткуванням. Від датчиків, що входять до складу мікропроцесорної системи керування, що працюють в умовах промислових приміщень, забруднених електромагнітними перешкодами, залежить вірогідність інформації, що знімається з об'єкта контролю, і ефективність роботи устаткування в цілому.

Показано, що найбільш перспективною формою представлення вихідного сигналу датчика є частотно-модульований сигнал, а серед частотних датчиків найбільш перспективними є датчики з генераторною схемою формування вихідного сигналу, що забезпечують формування на виході датчика частоти, яка відповідає вхідному впливу.

Запропоновано аналітичну модель чутливого елемента на основі комбінованого діода Шотткі, що може бути використана для розрахунку параметрів і характеристик мікроелектронних адаптивних сенсорів на основі комбінованих структур, а також може бути використана для комп'ютерного схемотехнічного моделювання пристроїв, що містять ці структури. Показано, що застосування комбінованих структур у частотних датчиках на основі коливального контуру, без використання автогенераторної схеми проміжного перетворювача приводить до нелінійної характеристики перетворення датчика.

У другому розділі проведено аналіз характеристик та параметрів автогенераторних ВЧП для промислових датчиків технологічних параметрів електронної техніки.

Показано, що вимога лінійності характеристики перетворення впливає на структуру пристрою, проаналізовані основні схемні рішення автогенераторних частотних датчиків по лінійності характеристики перетворення. Досліджено вплив методу виміру частоти на параметри ВЧП.

Як відомо, у цифрових вимірювальних системах, у тому числі в мікропроцесорних, використовуються два основних методи виміру частоти:

1.

2.

Відносна похибка квантування при прямому вимірі частоти дорівнює:

, (1)

де - девіація частоти вихідного сигналу датчика;

- період вихідного сигналу та час вимірювання, відповідно.

Для другого методу маємо: . (2)

де - тактова частота вимірника.

При заданій девіації періоду (чи частоти) похибка квантування визначається відношенням періоду тактових імпульсів до періоду сигналу, який вимірюється, а не часом виміру, як у першому випадку, що істотно впливає на швидкодію.

Показано, що при використанні другого методу чутливість частотного датчика пропорційна тактовій частоті вимірника. Таким чином, при заданій чутливості чутливого елемента, підвищення чутливості датчика при використанні другого методу досягається простим підвищенням тактової частоти вимірника і не вимагає складних і дорогих схем множення частоти, використовуваних у випадку прямого виміру частоти.

Важливим параметром частотних датчиків є стабільність початкової частоти датчика (аналогічно стабільності "нуля" для аналогових датчиків). Установлено, що для генераторів, виконаних на базі інтегральних операційних підсилювачів (ОП), основною причиною відходу власної частоти (без обліку зміни параметрів чутливого елемента) є залежність параметрів ОП від зовнішніх факторів, головні з яких – температура і напруга живлення.

Для оцінки впливу параметрів автогенератора на стабільність його початкової частоти використана система, структурна схема якої показана на рис.1. Система містить операційний підсилювач з коефіцієнтом підсилення , частотно-залежний ланцюг позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) з коефіцієнтом передачі і частотно-незалежний ланцюг негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) з коефіцієнтом передачі .

Зміна параметрів підсилювача, у припущенні, що робочий діапазон частот генератора відповідає середнім частотам підсилювача, врахована за допомогою додаткової ланки, що має коефіцієнт передачі , який залежить від параметра збурювання :

, (3)

де - малий параметр, що враховує зсув фази вихідного сигналу підсилювача під впливом зовнішніх дестабілізуючих факторів. Тоді рівняння замкнутої системи має вигляд:

, (4)

де і - відповідно, дійсна та уявна частини коефіцієнта передачі кола ПЗЗ.

Аналіз (4) показує, що відхилення частоти під впливом дестабілізуючого фактора, визначається фазовими співвідношеннями в системі й описується рівнянням: . (5)

Таким чином, дестабілізуючий вплив викликає появу зсуву фази, величина якого зворотно пропорційна коефіцієнту підсилення ОП, а компенсуюче відхилення частоти визначається крутизною фазової характеристики кола ПЗЗ.

У роботі виконана порівняльна оцінка нестабільності початкової частоти автогенераторів різних типів за допомогою параметра , де одиничне відхилення фазової характеристики ОП під впливом дестабілізуючих факторів.

Дослідження схеми датчика на базі RC-генератора на ОП з мостом Віна показали, що відносне збільшення частоти визначається як :

=, або , (6)

що при , дає .

Установлено, що загальноприйнята рівність постійних часу в плечах моста Віна не є оптимальною для досягнення мінімальної нестабільності частоти генератора. Показано, що вибираючи оптимальне співвідношення між величинами елементів моста, тобто при виконанні співвідношень і , можна підвищити стабільність частоти автогенератора приблизно на 25%.

З точки зору стабільності початкової частоти генератора проаналізовано схему частотного датчика, виконаного на базі RC-генератора з Г-образним хронуючим колом (рис.2), що має більш високу чутливість і забезпечує лінійну залежність періоду вихідної напруги від зміни інформаційного параметра чутливого елемента (резистора ). Вибравши оптимальні параметри ланцюга, можна знизити нестабільність початкової частоти більш ніж у 2 рази в порівнянні із симетричною схемою.

Збільшення чутливості будь-якого датчика при заданій чутливості первинного перетворювача вимагає підвищення коефіцієнта підсилення проміжного перетворювача. Межа підвищення чутливості генераторного датчика обмежена короткочасною нестабільністю частоти (або періоду) автогенератора, що виконує функції проміжного перетворювача. У роботі виконано аналіз шумових моделей автогенераторів різних типів на ОП і дана порівняльна оцінка їх флуктуаційної нестабільності.

Джерелами напруги шуму в схемі автогенератора є резистори, елементи коливальної системи і ОП. Усі джерела шуму можна поділити на три групи: шум у колі НЗЗ, шум у колі ПЗЗ і, нарешті, шум самого ОП. Оскільки ОП в схемі працює в лінійному режимі, при аналізі був використаний метод накладення.

Схема шумової моделі RC-генератора з мостом Віна показана на рис. 3.

Відповідні розрахунки, зроблені для генератора на ОП типу КР544УД2А показують, що внутрішніми шумами кола ПЗЗ можна зневажити, а основний внесок у напругу шуму створюють шуми самого ОП і шуми кола НЗЗ. При амплітуді вихідної напруги генератора 15 В (напруга основної частоти на ємності С2 складає 5 В) відносне відхилення частоти генератора, при часі спостереження рівному періоду вихідної напруги, дорівнює . Застосування малошумлячих ОП (зі спектральною щільністю шумів порядку 1 - 2 нВ/ ) дозволяє знизити флуктуації частоти приблизно на порядок.

У третьому розділі виконані розробка й аналіз ВЧП із лінійною характеристикою перетворення для технологічного устаткування електронної техніки.

З погляду стабільності початкової частоти, а також можливості виготовлення датчиків в інтегральному виконанні, у проміжних перетворювачах доцільне застосування RC-генераторів. Сформульовані вимоги до схем автогенераторів датчиків при використанні ємності p-n переходу чи опору тензорезистора у якості чутливого елемента датчика. Показано, що доцільно, щоб схема забезпечувала лінійність зміни частоти (або періоду) вихідного сигналу стосовно зміни параметра чутливого елемента.

У результаті аналізу сформульованих вимог розроблено RC-генератор, спрощена схема якого показана на рис.4. Схема являє собою автогенератор на базі інтегрального ОП, охопленого частотно-залежним ПЗЗ і частотно-незалежним НЗЗ. Чотириполюсник у колі ПЗЗ складається з діодно-ємнісного фазозміщувача (ДФ), зібраного на конденсаторі С1, діодах VD1, VD2 і опорних джерелах Uо1 і Uо2 , і інтегруючого кола, що містить ємність чутливого елемента С2 і дільник напруги на резисторах R1, R2, який забезпечує необхідну амплітуду перемінної складової на нелінійній ємності чутливого елемента.

Особливістю запропонованої схеми є те, що зсув фази, внесений ДФ, не залежить від частоти, а визначається співвідношенням між амплітудою вихідного сигналу і величиною опорних джерел. У цьому випадку умова балансу фаз приймає вид:

, (7)

де - зсув фази, внесений ДФ; - зсув фази, внесений інтегруючим колом.

З огляду на те, що , одержимо і, отже, .

Таким чином, за умови сталості зсуву фази ДФ, частота вихідного сигналу зворотно пропорційна а, відповідно, період - прямо пропорційний постійної часу інтегруючого кола. Крім того, коефіцієнт передачі ДФ, знижується при збільшенні амплітуди вихідного сигналу. Завдяки цим властивостям схеми ДФ, при зміні постійної часу інтегруючого кола, яка визначається параметрами чутливого елемента, забезпечується пропорційна зміна періоду вихідного сигналу і стабілізація його амплітуди.

Необхідна величина амплітуди вихідного сигналу задається коефіцієнтом передачі в колі НЗЗ, тобто резисторами R3, R4.

При аналізі роботи ДФ установлено, що вираз для комплексного коефіцієнта передачі ДФ по першій гармоніці має вигляд:

, (8)

де - кут провідності діодів ДФ.

Отримане рівняння показує, що амплітуда і фаза вихідної напруги ДФ не залежать від частоти вхідного сигналу, а визначаються тільки кутом , який у свою чергу залежить лише від співвідношення між амплітудою вхідного сигналу і величиною опорної напруги.

На рис.5 показані основні характеристики ДФ: залежності кута провідності діодів , модуля комплексного коефіцієнта передачі і фази першої гармоніки вихідної напруги від відносної амплітуди вхідного сигналу . Як видно з наведених кривих, модуль комплексного коефіцієнта передачі і фаза вихідного сигналу змінюються практично лінійно при зміні амплітуди сигналу на вході ДФ.

Для запропонованого ВЧП розроблена методика розрахунку основних електричних характеристик і параметрів.

Оцінка нестабільності початкової частоти ВЧП може бути зроблена на підставі аналізу виразу для періоду вихідного сигналу:

=. (9)

Якщо початковий коефіцієнт підсилення ОП перетворювача складає 105, то зміна його в 10 разів приведе до зміни початкової частоти на 0.01%.

Установлено, що основною причиною відходу початкової частоти (періоду) у запропонованій схемі є зміна паразитної ємності С0 ДФ. Для зменшення впливу С0 варто вибирати ємність С1 ДФ досить великою. При середніх параметрах ОП і періоді вихідного сигналу порядку 10-3 с, ємність С1 лежить в інтервалі 0.1 – 0.2 мкФ.

Установлено, що чутливість ВЧП для частотного датчика зворотно пропорційна і збільшується із збільшенням періоду вихідного сигналу згідно з виразом:

. (10)

Лінійність характеристики перетворення означає сталість чутливості у всьому діапазоні вимірюваних величин і, отже, порушення лінійності супроводжується зміною чутливості. Якщо інформаційним параметром чутливого елемента є ємність, то резистор інтегруючого кола можна вважати елементом досить стабільним. Тоді незмінність чутливості зберігається при незмінності кута , що відповідає незмінності робочої точки ДФ, яка не залежить від частоти вихідного сигналу, а визначається співвідношенням резисторів R3 і R4.

Похибка перетворення є складною функцією ряду параметрів генератора: - динамічного опору діодів ДФ, - опору навантаження інтегруючого кола ВЧП, - ємності ДФ, - коефіцієнта передачі кола НЗЗ ВЧП і діапазону зміни чутливого елемента. Для обліку їхнього впливу використана схема генератора, яку приведено на рис.6. Аналіз схеми автогенератора як замкнутої системи зі зворотними зв'язками, що містить у колі ПЗЗ ланки, які враховують вплив паразитних параметрів реальної схеми, показав що зміна режиму автоколивань у генераторі при зміні постійної часу інтегруючого кола описується системою двох нелінійних рівнянь із двома невідомими і :

, (11)

, (12)

де - відносна величина зміни інформаційного параметра чутливого елемента, - відносна величина зміни періоду вихідного сигналу, , - відносні величини опорів діодів і навантаження відповідно.

Добуток забезпечує прив'язку розрахованого режиму до реальних параметрів схеми і може відповідати початковій частоті датчика при початкових параметрах чутливого елемента, чи деякій середній частоті діапазону при середніх параметрах чутливого елемента. Рівняння (11) і (12) дозволяють розрахувати зміну відносної величини періоду вихідного сигналу при зміні відносної величини інформаційного параметра . При дотриманні лінійності перетворення ці величини повинні бути рівні, тому що права частина рівняння (11) є тангенсом кута зсуву ДФ, який повинний бути величиною постійною. Отже, оцінка нелінійності перетворення може бути виконана по рівнянню:

, (13)

де - відносна величина погрішності перетворення в %.

Рішення системи нелінійних рівнянь (11) і (12) для розрахунку величин і виконувалося за допомогою програми Mathсad 2001.

На рис.7 показаний приклад розрахунку нелінійності перетворення ВЧП по наведеній вище системі рівнянь для генератора, що забезпечує базову тривалість періоду Т0=1мс при опорі чутливого елемента R0=50кОм.

Експериментальні дослідження схеми ВЧП для частотного датчика показали, що форма сигналу на виході схеми не є сінусоідальною і, отже, крива напруги, що надходить на вхід ДФ, крім першої гармоніки містить гармоніки вищих порядків. Викривлення форми кривої вихідного сигналу впливає на комплексний коефіцієнт передачі ДФ.

Проведений аналіз дозволив одержати аналітичні і графічні залежності, необхідні для обліку впливу третьої гармоніки на комплексний коефіцієнт передачі ДФ. На практиці при налагодженні автогенератора датчика необхідно підстроювати початкову частоту, що дозволить скорегувати розкид параметрів комплектуючих виробів.

У четвертому розділі поставлені мета, задачі, розглянуті методика і результати експериментальних досліджень ВЧП. Цілями експерименту є:

- виявлення ступеня впливу зазначених факторів на і, отже, на і синтез рекомендацій зі зведення цього впливу до мінімуму, тобто забезпечення постійної чутливості датчика в заданому діапазоні;

- перевірка стабільності початкової частоти (періоду) датчика на реальному макеті;

- визначення швидкодії перетворювача.

Для досягнення зазначених цілей були вирішені наступні задачі:

- розроблено макет вимірювального частотного генераторного перетворювача для проведення експерименту;

- сплановано і проведено експеримент;

- побудовано математичну модель нелінійності характеристики перетворення вимірювального перетворювача за результатами експерименту;

- проведено комп'ютерний експеримент за допомогою програми схемотехнічного моделювання МС- 5.

У результаті досліджень, проведених на фізичному макеті вимірювального частотного генераторного перетворювача, і на його комп'ютерній моделі встановлений ступінь впливу параметрів перетворювача на вірогідність інформації, що знімається датчиком, з об'єкта контролю, що відбитий в розробленій багатофакторній моделі нелінійності характеристики перетворення вимірювального перетворювача:

, (14)

де - Rn – опір навантаження ДФ, [МОм], - С1 – ємність ДФ, [нФ], - - коефіцієнт передачі в колі НЗЗ, - С0 – ємність, що призначена для зменшення впливу ємності діодів і ємності монтажу ДФ, [пФ].

Експериментально встановлено, що залежність нелінійності характеристики перетворення від таких параметрів перетворювача, як Rn, С1 і С0 має екстремальний характер, а залежність від коефіцієнта зворотного зв'язку - монотонний характер. Показано, що застосування розробленої моделі нелінійності характеристики перетворення ВЧП для розрахунку оптимальних параметрів датчика, дозволяє звести погрішність чутливості датчика до мінімуму.

Експериментально встановлено, що запропонована схема ВЧП має нестабільність початкової частоти ВЧП 0.0115%. Для виключення відходу початкової частоти вихідного сигналу датчика в початковий момент часу варто подати живлення на датчик за 25-30 хвилин до початку вимірів.

Установлено, що запропонована схема ВЧП має швидкодію, рівну одному періоду частоти перетворювача.

У п'ятому розділі наведений опис розробленої МПСУ для установки ультразвукового зварювання із застосуванням розробленого генераторного тензодатчика амплітуди ультразвукових коливань.

З метою оптимізації процесу зварювання, оперативного контролю за технічними параметрами зварювання, оптимізації технологічного процесу зборки модулів на базі транзисторів IGBT і збільшення випуску придатних виробів було модернізовано систему керування установкою. Було враховано, що установка створює радіоперешкоди в діапазоні 666,6 кГц, що можуть впливати на показання датчиків установки. Тому для надійної передачі інформації в МПСУ був розроблений тензодатчик амплітуди ультразвукових коливань із генераторною схемою формування вихідного сигналу. Структурна схема системи керування установкою ультразвукового зварювання наведена на рис.8.

У розділі на прикладі конкретної розробки показано, що автогенераторні частотні датчики, що мають підвищену стійкість до перешкод, точність виміру і високу швидкодію, можуть легко вбудовуватися в систему керування і контролю в технологічному устаткуванні, принципово не ускладнюючи його схеми і функціонування. Застосування МПСУ в сукупності з частотним датчиком амплітуди коливань робочого інструмента в установках ультразвукового зварювання, дозволяє забезпечити автоматичний контроль технологічного процесу, підвищує відтворюваність технологічних параметрів і, в остаточному підсумку, збільшує відсоток виходу придатних виробів.

ВИСНОВКИ

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дали можливість зробити наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Перелік опублікованих праць за темою дисертації

1. Измерительные преобразователи на основе комбинированных твердотельных структур / Костенко В.Л., Швец Е.Я., Киселев Е.Н., Омельчук Н.А. – Запорожье: ЗГИА, 2001г. – 101с.

Омельчук Н.А. виконані аналіз характеристик автогенераторних частотних вимірювальних перетворювачів та оцінка нестабільності генераторів вимірювальних перетворювачів.

Костенко В.Л. розроблені комбіновані твердотілі структури.

Швецом Є.Я. проаналізовані характеристики вимірювальних перетворювачів поглинаємої потужності випромінювання.

Кисельов Є.М. розробив інтегральні вимірювальні перетворювачі поглинаємої потужності випромінювання та мікроелектронні датчики на їх основі.

2. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Семенов В.В. Оптимизация параметров генераторов для частотных датчиков по критерию нестабильности начальной частоты. // Радіоелектроніка , інформатика, управління. №2 - Запорожье, ЗГТУ, 1999г. - С.16-22.

Автором розроблена методика розрахунку нестабільності початкової частоти датчиків.

3. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Семенов В.В. Анализ характеристик автогенераторных частотных датчиков. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки”. Частина 8. - К.: Інститут електродинаміки НАН України, 2000р. - С.89-94.

Автором виконаний аналіз функціонування автогенераторних частотних датчиків як нелінійних систем.

4. Семенов В.В., Омельчук Н.А. Анализ процессов самовозбуждения автогенератора на частотах высших гармонических составляющих. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск у 3-х частинах. Частина 1. - К.: Інститут електродинаміки НАН України, 2001р. - С.105-108.

Автором получені рівняння для аналізу процесів самозбудження у автогенераторах для датчиків технологічних параметрів на вищіх гармоніках.

5. Костенко В.Л., Омельчук Н.А. Параметрические датчики с частотно-модулированным выходным сигналом. // Інтегровані технології та енергозбереження. №3 – Харків: ХДПУ, 2001р. – С.111-119.

Автором виконана розробка структурних схем датчиків з частотно-модульованим вихідним сигналом.

6. Омельчук Н.А., Семенов В.В., Костенко В.Л. Применение модели нелинейности характеристики преобразования для оптимизации параметров автогенераторных частотных датчиков. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки”. Частина 5. - К.: Інститут електродинаміки НАН України, 2002р. - С.99-103.

Автором розроблена багатофакторна модель нелінійності характеристики перетворювання автогенераторних частотних датчиків технологічних параметрів.

7. Костенко В.Л., Омельчук Н.А. Динамическое запоминающее устройство на основе однотранзисторных функционально-интегрированных элементов. // Компоненты и материалы электронной техники. - К.: УМК ВО, 1989г. - С. 145-150.

Автором запропоновані схемотехнічні рішення пристроїв.

8. Левинзон Д.И., Костенко В.Л., Омельчук Н.А. Микроэлектронный сенсор давления на основе комбинированного транзистора. // Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов на Украине. Сб. научных трудов. - Запорожье, ЗГИА, 1997г. - С.357-359.

Автором виконаний аналіз функціонування мікроелектронного сенсора тиску та принца його побудови.

9. Патент України №44401 А. 7Н03В5/20, Н03В5/26. Регульований автогенератор/ Семенов В.В., Омельчук Н.А., Костенко В.Л. – опубл.15.02.2002. Бюл.№2.

Автором запропоновано в склад діодно-ємнісного фазозміщувача автогенератора включити два діода і конденсатор.

10. Костенко В.Л., Киселев Е.Н., Омельчук Н.А., Матыскин В.И., Проскурин Н.П. Исследование взаимодействия СВЧ излучения с КТС микроэлектронных сенсоров. Отчет о научно-исследовательской работе. Номер гос. регистрации 0198U007691. ЗГИА, 2000г. – 105 с.

Автором розроблена методика розрахунку параметрів нової схеми RC-генератора з діодно-ємнісним фазозміщувачем для вимірювальних частотних перетворювачів датчиків технологічних параметрів.

11. Костенко В.Л., Омельчук Н.А. К вопросу построения полупроводниковых ОЗУ на основе микроэлементов с управляющими электродами. // Совершенствование устройств памяти информационных, компьютерных и робототехнических систем. Всесоюзная н.т.к., Тезисы докладов. - М.: Радио и связь, 1988г. - С. 30-31.

Автором запропоновані схемні рішення оперативної пам'яті, яка може виконувати й функції суматора

12. Терещенко Л.А., Омельчук Н.А., Сидоренко С.В. Микропроцессорная система оперативного диагностирования технических объектов. // Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении.(4-е Бенардосовские чтения). Тезисы докладов всесоюзной н.т.к. - Иваново: Ивановский энергетический институт. 1989г. - С.90.

Автором запропонована структура мікропроцесорної системи діагностування.

13. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Компьютерное моделирование микроэлектронного резонансного первичного преобразователя датчика механических усилий. // Теория и техника передачи, приёма и обработки информации. Сб. научных трудов 4-ой Международной конференции. - Харьков, ХТУРЭ,1998г. - С.400-401.

Автором розроблена комп'ютерна модель резонансного первісного перетворювача датчика механічних зусиль.

14. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Семенов В.В. Оптимизация параметров генераторов для адаптивных частотных датчиков на КТС. // Состояние и проблемы измерений. 6-я Всероссийская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - М.: МГТУ им. Баумана, 1999г. - С. 130

Автором запропонована методика оптимізації параметрів генераторів.

15. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Семенов В.В. Влияние метода измерения частоты на параметры цифровых измерительных систем с частотными датчиками. // Труды 12-ой Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов “Датчик –2000”. - М.: МИЭМ - 2000г., С.283-285.

Автором виконаний аналіз впливу методу виміру частоти вихідного сигналу датчиків на параметри цифрових вимірювальних систем технологічного обладнання.

16. Костенко В.Л., Омельчук Н.А., Семенов В.В. Экспериментальное исследование промежуточного преобразователя для частотного датчика. // Состояние и проблемы измерений. 7-я Всероссийская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - М.: МГТУ им. Баумана, 2000г. - С.111.

Автором виконані експериментальні дослідження перетворювача для частотного датчика.

17. Костенко В.Л., Омельчук Н.А. Микропроцессорная система мониторинга ультразвуковой сварки с использованием частотных датчиков.// Труды 13-ой Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов “Датчик –2001”. - М.: МИЭМ - 2001г., С.243-245.

Автором проаналізована система моніторингу для ультразвукового зварювання.

18. Омельчук Н.А., Семенов В.В., Костенко В.Л. Микропроцессорная система управления ультразвуковой сваркой с применением частотного датчика амплитуды колебаний. // Труди 9-й Міжнародної науково-технічної конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах". – Хмельницький: ТУП, 2002р. – С.150 – 154.

Автором розроблені мікропроцесорна система моніторингу для установки ультразвукового зварювання та частотний датчик амплітуди ультразвукових коливань.

19. Омельчук Н.А., Семенов В.В. Оценка порога чувствительности автогенераторных частотных датчиков. // Труди 10-й Міжнародної науково-технічної конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах". – Хмельницький: ТУП, 2003р. – С.28.

Автором розроблені шумові моделі генераторних частотних датчиків.

Анотація

Омельчук Н.А. Вимірювальні генераторні частотні перетворювачі для промислових мікроелектронних датчиків: – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 – технологія, устаткування і виробництво електронної техніки. Херсонський державний технічний університет Міністерства освіти та науки України, Херсон, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці вимірювальних пристроїв для технологічного устаткування, які можуть працювати в промислових приміщеннях, забруднених електромагнітними шумами.

У роботі проведено порівняльний аналіз датчиків технологічних параметрів з амплітудно-модульованим і частотно-модульованим вихідним сигналом, який показав перспективність застосування частотних датчиків у складі устаткування. Розроблено методику аналізу нестабільності початкової частоти ВЧП, а також розроблено методику вибору оптимальних, за критерієм нестабільності, співвідношень параметрів схеми автогенератора, що дозволяє домогтися істотного зниження нестабільності початкової частоти (для деяких схем до двох разів).

Запропоновано нову схему ВЧП для датчиків технологічних параметрів на базі автогенератора з діодно-ємнісним фазозміщувачем, яка має високу лінійність характеристики перетворення. Сформульовано умови самозбудження автогенератора, як на основній, так і на вищих гармоніках.

Розроблено нові шумові моделі для RC- і LC- генераторів, виконаний аналіз шумових моделей автогенераторів різних типів на ОП і дана порівняльна оцінка їх флуктуаційної нестабільності. Показано, що поріг чутливості генераторного датчика обмежений короткочасною нестабільністю частоти (чи періоду) автогенератора, що виконує функції проміжного перетворювача.

Викладені в дисертації, схемні рішення ВЧП, а також методики розрахунку, використані при розробці МПСУ для установки ультразвукового зварювання, з метою оптимізації технологічного процесу зборки силових транзисторних модулів на основі IGBT.

Ключові слова: вимірювальний частотний перетворювач, нестабільність початкової частоти датчика, лінійність характеристики перетворення, діодно-ємнісний фазозміщувач, шумова модель, ультразвукове зварювання.

Annotation

Omelchuk N.A. Measuring self-oscillator frequency converters for industrial microelectronic sensors: - Manuscript.

Thesis for candidate of sciences degree by speciality 05.27.06 – Technology, equipment and production of electronic engineering. – Herson state technical university, Ministry of Education and Science, Ukraine, Herson, 2003.

In the thesis, measuring instruments for technology equipment, which provide for high accuracy of technological parameter measurements on conditions of electromagnetic noises, has been studied and developed.

On the base of comparative analysis, which is done for sensors with amplitude-modulated and frequency-modulated signals, it is shown that last type of sensors is envisaging further development for application in the electronic engineering equipment.

The novel MFC circuit on the base of diode-capacitive phase shifter, which has high linearity of conversion characteristic, is proposed. Self-excitation conditions as for fundament frequency, so for high harmonics is formulated.

The novel noise models for self-oscillators on the base of operational amplifier are designed and comparative analysis of its fluctuating instability is performed. It is shown that the threshold of sensitivity of the frequency sensor with self-oscillator frequency converters is limited by fluctuating instability of converter frequency (or period).

The novel MFC circuit and calculation methods, which are proposed in the thesis, were used in development of microprocessor based control system for ultrasonic weld mount in technological complex for assembling IGBT.

Key-words: Measuring frequency converter, initial frequency instability, linearity of conversion characteristic, diode-capacitive phase shifter, noise model, ultrasonic welding.

Аннотация

Омельчук Н.А. Измерительные генераторные частотные преобразователи