УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ СВЧ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области радиоизмерений и может быть использована для контроля и измерения характеристик электронных компонентов СВЧ на воздействие радиационных факторов.
Известно устройство (см. 1. патент на изобретение США №7098646, М. кл. G01R 21/01, G01R 31/28, опубл. 11.08.2005 г.), позволяющее проводить измерения параметров исследуемого электронного компонента (ЭК), содержащее генератор мощности, сигнал с выхода которого поступает на две цепи. В первой цепи производится прямое измерение мощности упомянутого генератора, а во второй цепи сигнал проходит через выходной аттенюатор и дуплексер и подается на исследуемый ЭК, после этой измерительной цепи сигнал ослабляется входным аттенюатором и поступает на измеритель мощности. В результате измерение мощности генератора сигнала осуществляется в процессе измерений.
Однако в данном устройстве не предусмотрено сохранение и последующая обработка данных, не производится фиксация пороговых уровней выходного сигнала с целью определения уровней отказа при воздействии радиационных факторов.
Кроме того, в устройстве не производится управление исследуемым ЭК при измерениях, что не позволяет исследовать программируемые и управляемые ЭК.
Известно устройство (см. 2. патент на изобретение США №200916429, М. кл. G01R 23/02, опубл. 25.06.2009 г.), в котором предусмотрена обработка данных измерений в цифровом виде и вывод их на дисплей. Устройство содержит перестраиваемый в широкой полосе частот генератор для сканирования частот по рабочему диапазону. Измеряемый сигнал ослабляется входным аттенюатором и подается на блок смесителей, куда подается также сигнал с перестраиваемого генератора. Далее сигнал проходит через фильтр промежуточной частоты (ФПЧ) и снова во втором блоке смесителей смешивается с сигналом фиксированного локального генератора для понижения рабочей частоты входного сигнала. После этого сигнал проходит через систему коммутаторов, фильтруется очередным ФПЧ и преобразуется еще раз с понижением частоты с помощью следующего смесителя и преобразователя частоты. Затем сигнал проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ), полосовой фильтр (ПФ), поступает на детектор сигнала и оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), с выхода которого оцифрованные данные обрабатываются и выводятся на дисплей.
В данном устройстве не предусмотрено сохранение и обработка полученных данных и не производится контроль и измерение уровня мощности сигнала для определения превышения заданных пороговых значений уровня выходного сигнала для определения уровня отказа при воздействии радиационных факторов.
Кроме того, в данном устройстве не осуществляется управление исследуемым ЭК при измерениях, т.е. не могут исследоваться программируемые и управляемые ЭК.
Известен способ и устройство для его реализации (см. 3. патент на изобретение США 200916429, М. кл. G01R 35/00, опубл. 25.06.2009 г.), позволяющие измерять различные параметры исследуемых ЭК, представляющих собой полупроводниковые элементы, такие как амплитуда, фаза, частота, цифровая последовательность, форма и т.д.. В устройстве имеется блок калибровки устройства, блок формирования выходного сигнала, который может включать N генераторов сигнала, выходами соединенных с соответствующими входами соответствующих N синтезаторов частот, управляющие входы которых и управляющие входы N генераторов сигнала связаны с соответствующими выходами ПК. При этом N соответствует числу частотных диапазонов измерений. Устройство также содержит блок контроля и управления, входы которого соединены с выходами соответствующих синтезаторов частот, а выход подключен ко входу блока определения уровня мощности сигнала, выходом соединенного со входом ПК, который обеспечивает определение превышения заданного порогового значения мощности сигнала.
В устройстве формируются сигналы, подаваемые на ЭК с определенной периодичностью, параметры которой устанавливаются программно с помощью ПК. ПК может, в том числе, устанавливать уровень мощности сформированного сигнала с определенными характеристиками, которые хранятся в памяти ПК, и контролировать отклонение уровня мощности выходного сигнала от порогового значения.
В то же время в устройстве не предусмотрена возможность изменения режимов работы исследуемых ЭК, что не позволяет исследовать программируемые и управляемые ЭК, а также измерять параметры СВЧ ЭК.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности исследования программируемых и управляемых ЭК СВЧ.
Достижение указанного результата обеспечивается в предлагаемом устройстве для контроля характеристик электронных компонентов СВЧ при испытаниях на воздействие ионизирующего излучения, содержащем блок формирования выходного сигнала, включающий N каналов, состоящих из соединенных между собой генератора управляемого напряжением и синтезатора частот, где N - количество частотных диапазонов, связанный с блоком контроля и управления, соединенным с блоком определения уровня мощности сигнала, блок хранения и контроля данных (БХКД), выполненный с возможностью определения превышения порогового значения мощности сигнала, средства оцифровки данных, отличающемся тем, что блок контроля и управления содержит блок управления формированием частоты (БУФЧ), блок управления и приема данных (БУПД), блок обработки данных (БОД), блок приема и передачи данных (БППД), при этом выход БУПД соединен со входом БОД, выход которого подключен ко входу БППД, выход которого соединен со входом БУФЧ, соответствующие выходные шины которого являются соответствующими выходными шинами блока контроля и управления для подключения к исследуемому ЭК, к соответствующим входным шинам блока формирования выходного сигнала, которыми являются входные шины синтезаторов частот N каналов, входная шина введенного в блок формирования выходного сигнала коммутатора, другими входами соединенного с выходами соответствующих генераторов управляемых напряжением и управляющими входами соответствующих синтезаторов частот, входная шина введенного в блок формирования выходного сигнала выходного аттенюатора, другим входом соединенного с выходом коммутатора, а также входная шина введенного в устройство дополнительного синтезатора частот (ДСЧ), другим входом связанного с выходом введенного в устройство генератора опорной частоты, подключенного также к входам опорной частоты N синтезаторов частот, выходная шина БУПД, является также выходной шиной блока контроля и управления для подключения к входной шине входного аттенюатора, установленного на входе блока определения уровня мощности сигнала, выполненного в виде детектора мощности сигнала, выходом соединенного со входом введенного операционного усилителя (ОУ), выходом связанного с АЦП, выходная шина которого соединена с входной шиной БУПД, являющейся входной шиной блока контроля и управления, который связан двунаправленной шиной с БХКД, при этом ДСЧ, выходной аттенюатор и ФНЧ выполнены с возможностью подключения к ЭК.
Выполнение блока контроля и управления предложенным образом и его непосредственная связь с блоком хранения и контроля данных и с блоком определения уровня мощности сигнала обеспечивает параллельную работу передающей и приемной частей устройства, а также управление ЭК в процессе испытаний, передачу данных в блок хранения и контроля данных и фиксирование момента отказа исследуемого ЭК.
Введение в блок управления выходным сигналом сигнала выходного аттенюатора и коммутатора позволяет регулировать уровень сформированного сигнала в выбранном диапазоне рабочих частот, который подается на ЭК.
Введение ГОЧ необходимо для выработки тактового сигнала для обеспечения работы СЧ 1-N и блока контроля и управления.
Установка на входе приемной части, перед детектором мощности сигнала входного аттенюатора обеспечивает преобразование уровня входного сигнала в уровень, необходимый для работы детектора, а установка ОУ на выходе блока определения уровня мощности сигнала и последующая оцифровка данных с помощью АЦП позволяет, проводить измерения с требуемой точностью.
Связь БУФЧ блока контроля и управления с введенным ДСЧ и его подключение к ЭК позволяет формировать сигнал для управления ГУН в том случае, когда он является ЭК, характеристики которого подлежат контролю.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена его функциональная схема, на фиг. 2 показано подключение предлагаемого устройства к ЭК. На фиг. 3 приведена блок-схема алгоритма работы блока хранения и контроля данных, а на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы блока контроля и управления, где показаны:
1. Начало, 2. Если получены данные с блока хранения и контроля данных, (F_start - Начальная частота, F_stop - Конечная частота, Step - Шаг перестройки, Time - Время удержания частоты, Power - Мощность сигнала) продолжаем работу. Если нет, ожидаем прихода данных. 3. Производится калибровка передатчика и приемника. 4. Формируем сетку рабочих частот (в соответствии с полученными данными от БХКД). 5. Формирование коэффициентов делителей мощности (для установки необходимого значения Power) и значений коммутатора. 6. Если Fраб=<Fstop, тогда Fраб устанавливается начиная от Fstart до Fstop, увеличиваясь с шагом Step при каждом новом цикле. 7. Если получена команда STOP, завершить выполнение программы.8. Установка текущей рабочей частоты, на основании сетки частот. Вычисление необходимых значений программируемых коэффициентов деления для передачи в синтезатор частоты. Установка нужного коэффициента коммутатора и делителя мощности. Удержание частоты на время Time. Установка режима работы ЭК. 9. Измерение характеристик с помощью детектора мощности и АЦП. 10. Обработка данных полученных от АЦП, отслеживание уровня отказа, конвертация типа данных, перевод в 8 ми разрядное значение, для передачи данных в блок 4 хранения и контроля данных. Передача данных в блок 4 хранения и контроля данных. 12. Конец
1
N
1
N
Согласно фиг. 1 предлагаемое устройство содержит блок 1 управления выходным сигналом, содержащий выходной аттенюатор 1.1, коммутатор 1.2, N каналов, включающих N генераторов 1.3-1.3 управляемых напряжением (ГУН) и N синтезаторов 1.4-1.4 частот (СЧ), генератор 2 опорной частоты (ГОЧ), дополнительный синтезатор 3 частот (ДСЧ), блок 4 хранения и контроля данных (БХКД), блок 5 контроля и управления, включающий блок 5.1 управления формированием частоты (БУФЧ), блок 5.2 приема и передачи данных (БППД), блок 5.3 управления и приема данных (БУПД), блок 5.4 обработки данных (БОД), ФНЧ 6, входной аттенюатор 7, блок 8 определения уровня мощности сигнала (детектор), переключатель 9, операционный усилитель (ОУ) 10, АЦП 11. На фиг. 1 также обозначены исследуемый электронный компонент (ЭК), при этом предлагаемое устройство выполнено с возможностью подключения к ЭК.
1
N
Согласно фиг. 1 выходной аттенюатор 1.1 выходом подключен ко входу 2 ЭК, а его вход соединен с выходом коммутатора 1.2, соответствующие входы которого соединены с выходами соответствующих ГУН 1.3 и соответствующими входами синтезаторов 1.4 частоты N каналов, выходы которых соединены с входами соответствующих ГУН 1.3, входы тактовой частоты соединены с выходом ГОЧ 2, куда также подключен вход тактовой частоты ДСЧ 3, входной шиной соединенный с выходной шиной БУФЧ 5.1, другими выходными шинами связанного с входными шинами СЧ 1.4-1.4, выходного аттенюатора 1.1, коммутатора 1.2 и ЭК 12. Выход БУПД 5.3 подключен ко входу БОД 5.4, выход которого соединен со входом БППД 5.2, выход которого соединен со входом БУФЧ 5.1, входная шина БППД 5.2 соединена с выходной шиной БХКД 4, выходная шина БУПД 5.3 соединена с входной шиной входного аттенюатора 7, вход которого соединен с выходом ФНЧ 6, а выход подключен ко входу блока 8 определения уровня мощности сигнала (детектора), выход которого соединен со входом переключателя 9, выход которого подключен ко входу ОУ 10, выход которого соединен со входом АЦП 11 и с выходом переключателя 9, другой вход которого соединен с соответствующим выходом БУПД 5.3, входной шиной связанного с выходной шиной АЦП 11. Соответствующие входы ДСЧ 3 и входного ФНЧ 6 через СВЧ-разъемы подключены к выходу ЭК, ко входу 2 которого подключен выход ДСЧ 3.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства с использованием фиг. 1, 2, 3, 4.
Основными функциями предлагаемого устройства являются формирование управляющих сигналов и испытательных СВЧ сигналов и проведение параметрического контроля функционирования исследуемого ЭК. Начальные данные о режиме работы устройства хранятся в ячейке памяти БХКД 4 и передаются в БППД 5.2. Обработанные результаты измерений передаются обратно в БХКД 4 и сохраняются в массиве памяти. В БХКД 4 производится сравнение полученных данных с пороговым значением мощности сигнала, которое хранится в ячейке начальных данных. При превышении значения порогового уровня происходит фиксация момента превышения уровня мощности, и производится запись контрольной информации в память БХКД.
Поскольку предлагаемое устройство применяется при испытаниях характеристик СВЧ ЭК при воздействии ионизирующего излучения (ИИ), ЭК подключают к предлагаемому устройству с помощью коаксиальных соединительных линий.
Функции блока 5 контроля и управления выполняет микроконтроллер (МК). Он управляет блоками устройства, измеряет необходимые параметры, контролирует и передает информацию в блок 4 хранения и контроля данных, функции которого выполняет процессор с буфером памяти.
1
N
1
N
Предлагаемое устройство делится на две основные части; приемную и передающую, которые взаимосвязаны между собой с целью упрощения конструкции, ее настройки и управления, и в итоге - удешевления стоимости. В работе передающей части участвуют: БУФЧ 5.1, СЧ 1.4-1.4, ГУН 1.3-1.3, коммутатор 1.2, выходной аттенюатор 1.1, подключаемые к ЭК через коаксиальную линию.
1
N
Назначение передающей части заключается в формировании стабильного ВЧ сигнала в заданном диапазоне частот, перестройки его по частоте с необходимой дискретностью и скоростью, а также установление необходимой мощности выходного сигнала. Данная задача решается с помощью программируемых СЧ 1.4-1.4 с ФАПЧ, с помощью которых осуществляется быстрая электронная перестройка рабочей частоты, сохраняя при этом ее высокую стабильность, которая определяется стабильностью генератора 2 опорной частоты (ГОЧ).
1
N
1
N
1
N
Передающие радиочастотные модули, состоят из СЧ 1.4-1.4 с ФАПЧ, которые управляется БУФЧ 5.1, и блока генераторов 1.3-1.3 (ГУН), управляемых напряжением, количество модулей определяется перекрытием частотного диапазона, что, в свою очередь, зависит от диапазона рабочих частот ГУН. Управление СЧ 1.4-1.4 осуществляется по шине последовательной передачи данных. Выбор рабочего модуля осуществляется по шине данных с БУФЧ 5.1, при подаче сигнала от которого начинает работать соответствующий радиочастотный модуль.
Затем сигнал с радиочастотного модуля поступает на СВЧ коммутатор 1.2, который переключает выходы в зависимости от текущей рабочей частоты, коммутатор 1.2 управляется с помощью БУФЧ 5.1. Далее сигнал подается на выходной СВЧ аттенюатор 1.1, также управляемый БУФЧ 5.1, с его помощью формируется уровень мощности выходного ВЧ сигнала. После этого сформированный сигнал поступает на электронный компонент (ЭК) СВЧ. Таким образом, формируется сигнал для испытаний усилителей, аттенюаторов, фильтров, смесителей и других ЭК СВЧ. При испытаниях ГУН в качестве ЭК на его входе необходимо формировать низкочастотный управляющий сигнал, под воздействием которого будет изменяться выходной СВЧ сигнал ГУН.
В режиме измерения характеристик ГУН в качестве ЭК используется отдельный дополнительный СЧ 3 устройства в обход радиочастотных модулей. БУФЧ 5.1 управляет СЧ 3, который формирует сигнал для управления ЭК. Таким образом, проводится измерение характеристик ГУН в качестве ЭК в его рабочем диапазоне частот.
В работе приемной части участвуют: ФНЧ 6, входной делитель мощности (аттенюатор) 7, детектор 8 мощности, переключатель 9, ОУ 10, АЦП 11, БУПД 5.3.
Назначение приемной части заключается в детектировании выходного сигнала с ЭК, измерении уровня его мощности, преобразование в цифровой вид для передачи и обработки в БХКД 4. Выходной сигнал с ЭК поступает через ФНЧ 6 на входной аттенюатор 7 приемной части, коэффициент ослабления которого задается БУПД 5.3, значение коэффициента устанавливается в зависимости от исследуемого ЭК 12 и режима его работы, коэффициент высчитывается и передается от БУФЧ 5.1. Уровень мощности выходного сигнала измеряется детектором 8 мощности. На выходе детектора 8 мощности получаем напряжение, пропорциональное мощности входного сигнала. Сигнал с выхода детектора 8 попадает на переключатель 9, через который он напрямую подается на АЦП 11, или усиливается с помощью малошумящего операционного усилителя (ОУ) 10 для получения необходимой точности измерений и поступает на АЦП 11, который преобразовывает напряжение и передает его оцифрованное значение в БУПД 5.3 для последующей обработки в БОД 5.4, который формирует пакет данных для передачи в БХКД 4. С БОД 5.4 сформированные данные поступают в БППД 5.2, который передает их блок 4 хранения и контроля данных. Как для работы блока 5 контроля и управления, так и для работы дополнительного СЧ 3 необходим генератор 2 опорный частоты (ГОЧ), стабилизированный по частоте с параметром нестабильности не менее 1 ppm.
Таким образом, предлагаемое устройство получается компактным и дешевым и может испытывать большой класс СВЧ изделий (усилители, переключатели, смесители, аттенюаторы, ГУН в том числе и пассивные устройства: фильтры, делители и т.д.).
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства. Устройство может быть построено на следующих интегральных компонентах. Выбор компонентов осуществлялся по официальным каталогам, предоставленным производителями электронных компонент на своих Интернет ресурсах. Блок 5 контроля и управления - микроконтроллер ATmega16L, ATmega48L (производитель Atmel), ГОЧ 2 - SG-8002 (производитель Epson Company), Синтезаторы частот 1.4 и 3 - LMX2353 (производитель National Semiconductor), ГУН 1.3 - ROS-1200+, ROS-2000+, ROS-3000-819+ (производитель Mini-circuits) выбор ГУН обусловлен диапазоном рабочих частот, коммутатор 1.2 - GSWA-4-30DR+ (производитель Mini-circuits), аттенюаторы входной 7 и выходной 1.1 могут быть построены на одном и нескольких последовательно включенных DAT-15R5-SN+ (производитель Mini-circuits), ФНЧ 6 - LFCN-3400+ (производитель Mini-circuits), детектор 8 мощности сигнала - AD8363ARU (производитель Analog Devices), прецизионный ОУ 10 - AD820 (производитель Analog Devices), переключатель 9 - MSW-2-20+ (производитель Mini-circuits), АЦП 11 - AD7892 (производитель Analog Devices). Функции блока 5 контроля и управления выполняет упомянутый выше микроконтроллер (МК). Его задача - управление устройством, измерение параметров, контроль и передача информации в блок 4 хранения и контроля данных, который может быть выполнен на микропроцессоре 4STM32F407VGT6.