СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2001 года по МПК G01R33/14 

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и может быть использовано при проектировании, производстве нелинейных элементов, таких как тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы (в дальнейшем, ТПЭЛИ), магнитные материалы (ферромагнетики, сегнетоэлектрики и др.) и их научных исследованиях.

Известен осциллографический способ измерения площади гистерезисной характеристики (способ измерения площади фигур Лиссажу), применяемый как для различных магнитных материалов, так и для ТПЭЛИ, в котором используется сложение взаимно перпендикулярных колебаний, подаваемых на различные входы двухлучевого осциллографа (Мишин Д. Д. Магнитные материалы. -М.: Высш. школа, 1981. -335 с. ; Прикладная электролюминесценция. Под. ред. Фока М.В.- М.: Сов. радио, 1974. - 416 с.). Например, для ТПЭЛИ на вход "Y" осциллографа подается разность потенциалов, пропорциональная заряду на обкладках электролюминесцентного индикатора, снятого с емкостного делителя, состоящего из электролюминесцентного конденсатора и измерительного конденсатора, на второй канал (вход "X") подается напряжение с генератора возбуждения свечения. На экране осциллографа наблюдается гистерезисная характеристика: зависимость заряда ТПЭЛИ от приложенного напряжения. Погрешность измерения определяется точностью воспроизведения гистерезисной характеристики на экране осциллографа и методикой расчета площади петли.

Недостатком описанного аналога является низкая точность измерения указанной величины (до 25%), определяемая нестабильностью характеристик генератора возбуждения свечения электролюминесцентной структуры, точностью воспроизведения гистерезисной характеристики на экране осциллографа, субъективной методикой расчета площади петли, и невозможность автоматизации измерений и расчетов гистерезисной характеристики ТПЭЛИ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ автоматизированного измерения системы различных характеристик электролюминесцентных индикаторов, в том числе и гистерезисной, комплексом сложного универсального измерительного оборудования с использованием аналогичной цепочки измерения, состоящей из возбуждающего генератора, емкостного делителя (два конденсатора, включенные последовательно, электролюминесцентный индикатор и прецизионный конденсатор) и осциллографа с оцифровкой гистерезисной характеристики, изображенной на экране осциллографа, и передачей по шине данных в персональную машину (ПЭВМ). (ONO Y. A. et al. Transferred change in the active layer and EL device characteristics of TFEL cell. // Japanese journal of applied phisics. 1987. -vol. 26.-N 9. -PP. 1482- 1492. SINGH V.P., MORTON D.C., MILLER M.R. Luminescence characteristics of SrS: CeF thin-film electroluminescent devices. //IEEE transaction on electron devices. 1988, vol. ED-35, N 1, pp. 38-47).

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки: наличие аналогичной цепочки измерения, состоящей из генератора, измерительной схемы с образцом; аналого-цифровое преобразование (АЦП), использование ПЭВМ.

Недостатком прототипа является сложность оборудования, нестабильность характеристик аналогового генератора. Указанный недостаток обусловлен применением универсального измерительного оборудования фирм Hewlett-Packard, Tektronix.

Технический результат - упрощение процесса измерения, повышение стабильности и точности измерения при автоматизации процесса генерации прилагаемого напряжения любой формы, измерения и расчетов площадей гистерезисных характеристик в реальном масштабе времени за счет организации синхронного обмена генерируемыми и измерительными данными.

Для достижения технического результата в заявляемом способе измерения площади гистерезисных характеристик нелинейных элементов согласно изобретению обеспечивается в любой момент времени обмен данными о значениях входного и выходных сигналов нелинейного элемента с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ), которая выполнена с возможностью отображения гистерезисной характеристики нелинейного элемента и расчета ее величин в реальном масштабе времени с использованием алгоритма интегрирования одного периода сигнала, формирующего петлю гистерезисной характеристики, определяют момент аналого-цифрового преобразования, от буферного регистра канала ввода устройства обмена данными с шиной ПЭВМ периодически поступает изменяющийся цифровой код, формирующий с помощью цифроаналогового преобразователя период выходного аналогового сигнала, изменение которого вызывает пропорциональное изменение аналогового напряжения на нелинейном элементе, которое аналого-цифровым преобразователем преобразуется в цифровой код, передаваемый на шинный формирователь канала ввода устройства обмена данными с шиной ПЭВМ.

Особенностью является то, что синхронизируют работу связанных в единую измерительную цепочку: программируемый цифровой генератор и схему аналого-цифрового преобразования через исследуемый нелинейный элемент, причем их взаимодействие происходит следующим способом: при очередной операции вывода данных из порта программируемого цифрового генератора на нелинейный элемент синхронно происходит ввод измерительных данных с него же посредством АЦП и, таким образом, определяют массивы данных прилагаемого напряжения и формирования петли, которые затем программно интегрируют.

ПЭВМ, не ожидая окончания цикла преобразования АЦП, выводит на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) следующие, одновременно реализуя функции программируемого генератора выходного сигнала и аналого-цифрового преобразователя входного сигнала.

Аналоговый вывод сигнала произвольной формы программно (программируемый цифровой генератор) позволяет стабилизировать процесс генерации и в совокупности с АЦП приводит к упрощению техники измерения, увеличению точности измерений и позволяет автоматически управлять процессом измерения, расчета площади характеристик и отображения как процессов, так и результатов измерения в реальном масштабе времени.

Для осуществления стабилизации и управления процессом измерения производится программная цифровая генерация прилагаемого напряжения. Для повышения точности измерения и автоматизации процесса измерения и расчетов производится высокоскоростное преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Для упрощения процесса измерения используется алгоритм программного интегрирования одного периода сигнала, формирующего петлю с целью вычисления ее площади.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена функциональная схема устройства измерения площади гистерезисной характеристики нелинейных элементов.

Заявляемый способ измерения площади гистерезисных характеристик нелинейных элементов был реализован на примере следующего устройства, которое представляет собой плату расширения системной шины ПЭВМ типа IBM PC.

Устройство (плата расширения) содержит семь функциональных блоков: дешифратор адреса порта ввода/вывода 1, устройство управления 2, устройство обмена данными с шиной 3, схема цифроаналогового преобразования 4, выходной усилитель 5, входной нормирующий усилитель 6 и схема аналого-цифрового преобразования 7 и действует при подключении к ПЭВМ 8 типа IBM PC и измерительной схемы 9, включающей нелинейный элемент.

Дешифратор адреса порта ввода/вывода 1 необходим для выделения адреса прибора из общего информационного потока адресов шины и информирует устройство управления 2 сигналом AE высокого уровня при выставлении шиной адреса прибора и ее готовности произвести с ПЭВМ 8 обмен данными.

Устройство управления 2 имеет функцию синхронизации и предназначено для обеспечения корректного обмена данными с шиной, а также для формирования управляющих и стробирующих сигналов для других элементов схемы. Устройство управления 2 анализирует сигналы шины ПЭВМ 8 IOW (запись в порт ввода/вывода (в/в)) и IOR (чтение из порта в/в) и, если дешифратор подтверждает адрес прибора (сигнал AE), то устройство управления 2 формирует управляющие сигналы для устройства обмена данными с шиной (стробирующий сигнал WE высокого уровня или разрешающий сигнал RE низкого уровня). Устройство управления 2 также следит, чтобы не было ложных срабатываний прибора при операциях с контроллером прямого доступа памяти ПЭВМ 8 (линия шины AEN). Линия CS_16 используется для сообщения шине ПЭВМ 8 сигналом низкого уровня, что можно производить скоростные операции в/в двухбайтовых слов без дополнительных тактов ожидания. Еще один сигнал, который формирует устройство управления 2, поступает на АЦП 7 для запуска преобразования (сигнал READC низкого уровня).

Устройство обмена данными 3 взаимодействует с шиной ПЭВМ 8 посредством двух каналов:
1. Канал вывода - программируемый цифровой генератор. Предназначен для получения программных данных с шины ПЭВМ 8 и передачи их на ЦАП 4 при операции вывода генерируемого аналогового напряжения выходным усилителем 5 на измерительную схему 9. Для этой цели используется буферный регистр устройства обмена данными 3. По переднему фронту сигнала WE от устройства управления 2 буферный регистр производит запоминание состояния шины данных ПЭВМ 8 (D0-D15). Данные передаются на выход регистра (DO0-DO11), удерживаются там неизменными до поступления следующего сигнала WE от устройства управления 2, позволяя ЦАП 4 определить уровень генерируемого аналогового напряжения, которые затем нормируются выходным усилителем 5. Периодически поступающий на ЦАП 4 изменяющийся цифровой код формирует форму, уровень и т.д. аналогового сигнала, в чем и заключается функция канала вывода как программируемого генератора. На вход ЦАП 4 цифровой код поступает от буферного регистра канала вывода устройства обмена данными с шиной 3 (DO0-DO11). Изменения кода вызывают пропорциональное изменение аналогового напряжения (OUTDAC). Выходной усилитель 5 формирует аналоговый сигнал (OUTDAC) от ЦАП 4 до необходимого уровня и согласует высокое выходное сопротивление ЦАП 4 с низкоомной нагрузкой (OUT).

2. Канал ввода - схема аналого-цифрового преобразования. Предназначена для передачи аналоговых данных с измерительной схемы 9 на нормирующий усилитель 6, последующего преобразования АЦП 7 и передачу на шину данных ПЭВМ 8 посредством устройства обмена данными 3. Для этой цели в составе устройства обмена данными 3 должен быть организован шинный формирователь с выходами на 3 состояния (0, 1 и отключено). По низкому уровню сигнала RE от устройства управления 2 шинный формирователь выходит из состояния "отключено" и производит передачу измерительных данных от АЦП 7 на шину данных ПЭВМ 8.

Нормирующий входной усилитель 6 обеспечивает высокое входное сопротивление прибора для снижения его влияния на режим работы исследуемого прибора. Он преобразует двуполярный входной аналоговый сигнал (IN) в однополярный посредством смещения нуля, производит его усиление и передает его на АЦП 7 (сигнал INADC).

Схема АЦП 7 предназначена для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Момент преобразования определяется запускающим сигналом от устройства управления 2 (сигнал READC низкого уровня). По окончании преобразования происходит передача цифрового кода на шинный формирователь канала ввода устройства обмена данными с шиной 3 (D10-D19), и с этого момента прибор готов выдать очередной массив входных данных на шину ПЭВМ 8.

Алгоритм работы должен быть построен таким образом, чтобы устройство измерения в определенный тактированный момент времени производил обмен данными с ПЭВМ о значениях выходного и входного сигналов. При операции записи в порт цифрового кода устройство устанавливает на выходе генератора напряжение, пропорциональное этому коду, а при чтении из порта передает в ПЭВМ цифровой код, пропорциональный аналоговому напряжению на входе устройства. Для реализации функции программируемого цифрового генератора достаточно производить операции записи в порт цифровых кодов через равные промежутки времени. Значения этих кодов соответствуют мгновенным значениям напряжения сигнала, который нужно получить на выходе генератора. Аналогичные требования предъявляются и при выполнении функции преобразователя входного сигнала, т. е. необходимо производить чтение из порта через одинаковый интервал времени. С помощью программных средств на экране ПЭВМ отображается гистерезисная характеристика, и расчеты необходимой величины в реальном масштабе времени.

Как показали результаты моделирования, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей: повышение точности измерения до 1%, аналого-цифрового преобразования (при 10-разрядном решении прибора) до 0,1%.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в научных исследованиях материалов с гистерезисными характеристиками, таких как тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы, сегнетоэлектрики, ферромагнетики, при их производстве и проектировании.

Таким образом, вышеупомянутые сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого способа следующей совокупности условий:
- заявляемый способ предназначен для использования в области электроники и измерительной техники и может быть использован при проектировании, производстве нелинейных элементов, таких как тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы, магнитные материалы (ферромагнетики, сегнетоэлектрики и др.) и их научных исследованиях;
- для заявляемого способа в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- способ измерения площади гистерезисных характеристик нелинейных элементов, воплощающий заявленное изобретение, при его осуществлении способен обеспечить достижение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Использование: при проектировании, производстве нелинейных элементов, таких как тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы, магнитные материалы. Технический результат - упрощение процесса измерения, повышение стабильности и точности измерения при автоматизации процесса генерации прилагаемого напряжения любой формы, измерения и расчетов гистерезисных характеристик в реальном масштабе времени за счет организации рекурсивного обмена данными. Предлагается синхронизировать работу связанных в единую измерительную цепь программируемого цифрового генератора и аналого-цифрового преобразователя рекурсивным способом: при очередной операции вывода данных из порта генератора произвести ввод данных с аналого-цифрового преобразователя, которые соответствуют выборке аналогового сигнала на момент чтения, и, таким образом, определять массивы данных формирования петли, которые затем обрабатываются программно. 1 ил.

Способ измерения площади гистерезисных характеристик нелинейных элементов, обеспечивающий в любой момент времени обмен данными о значениях входного и выходного сигналов нелинейного элемента с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ), которая выполнена с возможностью отображения гистерезисной характеристики нелинейного элемента и расчета ее величин в реальном масштабе времени с использованием алгоритма интегрирования одного периода сигнала, формирующего петлю гистерезисной характеристики, при этом определяют момент аналого-цифрового преобразования, причем от буферного регистра канала ввода устройства обмена данными с шиной ПЭВМ периодически подают изменяющийся цифровой код, формирующий с помощью цифроаналогового преобразователя период выходного аналогового сигнала, изменение которого вызывает пропорциональное изменение аналогового напряжения на нелинейном элементе, которое аналого-цифровым преобразователем преобразуется в цифровой код, передаваемый на шинный формирователь канала ввода устройства обмена данными с шиной ПЭВМ.