Введение к работе
Актуальность работы. Интегрирующие АЦП (ИАШ) отличаются
самой высокойточностью, их применение непрерывно расширяется.
Метрологические характеристики ИАШ ' улучшались по мере
говершенствования элементной базы, но наиболее заметный
качественный скачок в их развитии произошел в 70-е и 80-е года
Злагодаря началу широкого использования весовых функций (БФ).
Зепрерывное расширение областей применения ИАШ определяет
зеобхолимость их дальнейшего совершенствования. Круг
зервоочередных задач, решение которых затруднено на основе
гавестных методов построения ИАШ включает: \
:.-1) снижение случайной погрешности ИАШ, обусловленной
собственными шумами схемы; '- ,
2) снигение погрешности нелинейности.
Это предполагает разработку^^принципиально новых методов и структур интегрирупдегб' развертывающего преобразования, )беспечивающих улучшениеметрологических характеристик.
Собственные шумы ИАШ содержат' низкочастотную' и зысокочастотную составляющие. меры борьбы с ними существенно эазличаютея. Например, наибольший эффект подавления птзкочастотной составляющей:достигается применением специальных юсовых функций. Однако в.\ этом случае возникает : специфическая іогрешность от накопления ошибки квантования. Устранение этой югрешности позволило бы полностью использовать преимущества ВФ в іорьбе с . низкочастотными ^пумами. Для уменьшения влияния шсокочастотного шума увеличивают время интегрирования, усредняют юзультаты отдельных- .измерений, ' применяют интегрирующие . императоры и специальные весовые функции. Отличаясь высокой ффективностью, . последний метод -резко усложняет схемную юализацяю ИАЦП. Поэтому- -представляется актуальной проблема шска.. новых и . совершенствование известных способов снижения :лу чайной погрешности от собственных шумов .'".,
.Погрешность' нелинейности' ИАШ в основном определяется :ачеством активного интегратора. Поэтому, актуальной является іазработка алгоритмов и структур, инвариантных относительно їараметров интегратора, либо позволяющих существенно снизить ребования к линейности последнего.
Пель работы и задачи исследования. Целью работы является
разработка новых алгоритмов : я структур ИАШ с улучшенными метрологическими характеристиками /и малыми аппаратурными затратами на реализацию. Для достижения поставленной цели е работе решались сладувдие задачи: ;
1.Систематизация методов интегрирующего аналого-цифровогс преобразования с целью обеспечения единства математическогс описания, терминологии и методов анализа.' "
2. Идентификация динамических характеристик подкласса ИАШ с
ЦАП в цепи обратной связи.
-
Анализ существующих методов повышения метрологически характеристик ИАШ,. првщ& всего -снижения погрешносп нелинейности и случайной погрешности от собственныхшумов.
-
Разработка новшс катодов снижения случайной согрвшності ИАШ путем применения интегрирующих устройств сравнения, і которых интегрированию подвергается не сам выходной сигна. интегратора, а сформированная из него знаковая функция Исследование статических н динамических характеристи разработанных ИАШ.
-
Совершенствование алгоритмов, структур и отдельных узло ИАШ, обеспечивающих исключение накопленной погрешност квантования при реализации знакопеременных ВФ, получение высоко линейности характеристики преобразования ИАШ при невестки требованиях к линейности используемого в нем интегратора расширение динамического диапазона ИАШ при преобразованн сигналов малого уровня.
-
Экспериментальная проверка и внедрение части выполненны
разработок.
Методы исследований. В работе использовались методы твори сигналов, методы математического анализа, вероятностного имитационного моделирования на ЭВМ, экспериментальна исследования.
. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана обобщенная структурная схема ИАШ. в которі "вписываются" все известные алгоритмы, интегрирующеі аналого-цифрового преобразования и которая моает служить основе для их систематизации.
-
Проведен уточненный анализ влияния собственных зуг«в Ш на его точностные характеристика. Дано теоретическое обоснов&ії
'4:
эффекта смещения оценки мато&адзния случайной погрешности ИАЦП, обусловленной воздействием собстшнных шумов.
. 3. Предложена динамическая модель ИАШ с ЦАП в цепи обратной связи, позволяющая впервые оценить"динамические -характеристики-преобразователей данного типа.
4. Предложены иисследованыновые структурно-алгоритмические
методы снижения случайной-'погрешности ИАШ от собствегещх шумов,
практически"Не" влиякщив на быстродействие преобразователя.
5. Предложена методика вероятностного моделирования' с
использованием графа состояний системы в дискретные момента
времени для оценки статистических характеристик случайной
погрешности при реализации разжчШлші-одов .сашсяжя последней.
Практическая ценность» В результате", теоретических исследований в диссертационной работе: i'. ^ ."*
1» На основе предложенной обобщенной структуры .интегриругадас АШІ, проввдона.систематизация ШШ' по наиболее' существенным признакєм. При этом, .обеспечивается единый подход к анализу статических и динамических 'характеристик ИАЦП.
-
В результате решения задачи идентификации интегрирующих АШІ следящего уравновешивания с ЦАП в цепи обратно!, связи показано, что при двиконип "в больном" они ведут себя как за?жнутыэ импульсные системы, а при двизкешш "в малом" проявляют все чортн интегрйрувдего развартшшкеего преобразования.
-
На оскоЕв проведенного анализа влияния собственных сумев' КАШ получено уточненное уравнение преобразования, позволяющее оценить случайную погрешность ИАЦП.
-
Предлояоны две разновидности нового алгоритм^ работы ИАЦП, позволяющего путем интегрирования знаково?, функции,. формируемой устройством сравнения из выходного сигнала интегратора, снизить случайную погрешность от собственных пумов.
-
Д*.л С'/'^и эффективности нового алгоритма рч?работаны н}1Тс?лГ:?ч ?с~"'" -отного моделирования с цспольровэнгог графа . с" ,--'..".. '. «v* , д 'пй системы,- Функциониругс;ей ь днсфетном jp\ -ц". ,,f;- ." . то предлокенный алгоритм полное, г.*. устраняет с. -.:>:. .:--::.- *; гадания случайной погресности сї ес'-ст^ьинх ружг*, '» >у~я ' .' -т ее дисперсию.
j. tipi-дл- .".: ...гни способ" уменылепия случайной norpe^ro-jTH КАЩї. лутей оценки значений. выходного напряжения штеграгора в
''' .'"'.' """' '5
начале и кощв цикла преобразования по знаковой функции. Методом вероятностного моделирования показано, что данный способ устраняет смещение оценки случайной погрешности и значительно уменьшает дисперсию.
С использованием системы линейных уравнений Колмогорова получено предельное распределений вероятностей состояний системы (и соответственно распределение случайной составляющей погрешности), что позволяет в процессе исследования динамики системы оценивать степень эффективности выбранного сочетания параметров системи,- т.е. быстродействие ИАЦП.
Методом іаглтационного моделирования исследована зависимость динамики и длительности переходного процесса АЦП реализующего данный способ от конкретних параметров схемы.
7. Выполнены разработки ряда ИАШ и их узлов, реализующих предложенные способы улучшения метрологических характеристик.
Реализация работы. - В результате теоретических н экспериментальных исследований разработаны и внедрена:
- АЩ и ЦАП в составе аппаратуры уплотнения вторичных
каналов связи на предприятии Ы5209 (г. Пермь);
АШ для радиометров СВЧ на предприятии ВНШШ (г. Незшй Новгород):
АЦП и ЦАП в составе систеш датрс^гичб.асой аттестация датчиков на предприятии ШШИ (г. Пенза)..
Апробация работы. Основные результаты работа были додоеэнн п обсувдены на . Всесоюзно» симпозиуме "Проблемы создания преобразователей Форш информации" (г. Киев, 1933 г.), на Всесоюзных конференциях "Методы г шкроэлектроншв средства цифрового преобразования и обработки сигналов* (г. Вига, 1986 г.) и "Методология измерений.(измерительные процессы, их подготовка, - планирование, организация, проведение, обработка и представление результатов)" (г. Ленинград, 1992 г.), на научно-технических конференшях профессорско-хфвшдаватедьсяого состава Пензенского политехнического института С1985-1994 №.).
Публикации .По результата»- исследований в разработок, выполненых в процесса работа над диссертацией, опубликовано 12 печатных работ, в тон числа 3 авторских свидетельства.
Структура и.обдам диссертации. диссертационная работа состоит из введения, л глав,- заключения, списка литература, 2
приложения к содэрккт 22 і страницу основного текста, иллюстрируемого рисунками и таблицами на 79 страницах.
