Precyzyjny układ pomiaru odcinka czasowego implementowany w strukturze CMOS
W ramach pracy doktorskiej zajmuję się zagadnieniem implementacji przetwornika czas-cyfra, do precyzyjnego pomiaru odcinka czasowego, w scalonym układzie półprzewodnikowym CMOS. Układy tego typu, projektowane dla realizacji konkretnego zadania, w odróżnieniu od układów programowalnych, nazywane są specjalizowanymi układami ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
Główne założenia projektowe to:
- duża rozdzielczość, sięgająca pojedynczych pikosekund,
- tani proces technologiczny CMOS 0,35 um,
- możliwość autonomicznej kalibracji układu.
Możliwą do osiągnięcia rozdzielczość przetwornika czas-cyfra, ogranicza efekt losowych rozrzutów parametrów procesu CMOS. Ma to szczególne znaczenie w przypadku próby skonstruowania przetwornika o dużej rozdzielczości, w tańszym procesie technologicznym, o większych rozmiarze charakterystycznym jak 0.35 um. Zatem konieczna jest procedura kalibracji układu, przy czym implementacja jej w samej strukturze przetwornika jest najlepszym rozwiązaniem. Większość obecnie stosowanych metod kalibracji przetworników czas-cyfra opiera sie na metodzie statystycznej zwanej testem gęstości stanów. Jest to jednak metoda trudna do implementacji w pojedynczej strukturze scalonej, w pewnych wypadkach wręcz niemożliwa. Postawiono tezę, że w przypadku zastosowania do budowy przetwornika noniuszowej linii opóźniającej, jest możliwa kalibracja w oparciu o metodę niestatystyczną, łatwo implementowalną w strukturze scalonej.
Jeśli postawiona teza jest prawdziwa, możliwa będzie autonomiczna kalibracja przetwornika, a w szczególności układowa korekcja jego błędów nieliniowości, za pomocą metody dotychczas nieznanej, łatwo implementowanej. Realizacja pracy została podzielona na następujące etapy:
- prace projektowe oraz badania symulacyjne w środowisku CADENCE,
- produkcja prototypowego układu w procesie CMOS AMS 0.35 um, w ramach programu EUROPRACTICE,
- badania prototypu, w celu weryfikacji postawionej tezy, oraz jego przydatności w zastosowaniach aplikacyjnych.
Postęp prac oraz prowadzone badania
Opracowano nową metodę korekcji błędów nieliniowości przetwornika opartego o noniuszową linie opóźniającą. Badania symulacyjne przeprowadzone w środowisku CADENCE wykazały, że zaproponowana metoda pozwala zmniejszyć błąd nieliniowości różnicowej przetwornika o rząd wielkości i spełnić postawione założenia projektowe. Wyniki badań zostały opublikowane [2]. Aktualnie prowadzone są prace projektowe nad układem prototypowym do pomiaru odcinka czasu, wykorzystującym zaproponowaną metodę.
Współpraca z przemysłem
Ponieważ praca doktorska ma charakter aplikacyjny, a założenia projektowe układu prototypowego dają wiele potencjalnych możliwości zastosowań w produktach komercyjnych, udało się już nawiązać współpracę z przemysłem. Aktualnie toruńska firma Apator SA jest zaiteresowana zagadnieniem zasilanych bateryjnie przepływomierzy ultradźwiękowych, których sercem jest układ do pomiaru odcinak czasowego. Zainteresowanie to znalazło wyraz w ufundowanym przez firmę stypendium na okres studiów doktoranckich, którego warunki przewidują pracę nad doktoratem we współpracy z firmą. Jest zatem realna szansa, że wyniki prowadzonych badań przyczynią się do powstania w Województwie nowoczesnego produktu. Urządzenie tego typu mogłoby zastąpić znacznie bardziej podatne na zakłócenia mechaniczne przepływomierze w gospodarstwach domowych oraz zakładach przemysłowych. Należy podkreślić, że celem pracy doktorskiej jest wyprodukowanie układu prototypowego. Dzięki temu, że układ do pomiaru odcinak czasowego jest sercem wielu nowoczesnych urządzeń, możliwe jest dalsze poszukiwanie współpracy z przemysłem w celu jego komercyjnego wykorzystania, także w innych aplikacjach. Krytyczne dla zachęcenia kolejnych przedsiębiorstw do tworzenia produktów opartych o układ do pomiaru odcinka czasowego będzie posiadanie i prezentacja działającego prototypu, który musi powstać także w celu dokonania pomiarów wieńczących pracę doktorską.
Publikacje
[1] Układ scalony do pomiaru czasu w przepływomierzu ultradźwiękowym – Łukasz Zaworski, Jarosław Czoków, Leszek
Wydźgowski, Pomiary Automatyka Kontrola 062008, str. 383-385, B-805
[2] Metoda kalibracji noniuszowej linii opóźniającej, Jarosław Czoków, Łukasz Zaworski, rozdział w: Metrologia dziś i jutro, praca
zbiorowa, Katedra Metrologii i Systemów Informacyjnych Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, 2009,
str. 328-336