Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА АЦ-ПРЕ0БРА30ВАНИЯ
1.1. Вводные замечания
1.2. Методы квантования в АЦП мгновенного значения сигнала 12
1.3. Анализ методов и устройств дискретизации мгновенного значения сигнала 51
1.4-. Методы АЦ-преобразования
Основные результаты и выводы 61
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП
2.1. Вводные замечания
2.2. Динамические модели АЦПДК и АЦПМД. Основные динамические характеристики 65
2.3. Динамические характеристики АЦП с дискретизацией квантованной величины 73
2.4. Условия минимизации динамической погрешности АЦПДК 93
2.5. Динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей с многократной дискретизацией квантованной величины. Условия минимизации динамической погрешности
Основные результаты и выводы
ГЛАВА 3. СТРУКТУРНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ АЦП 129
3.1. Вводные замечания 129
3.2. Цифровая коррекция динамической погрешности АЦПМД 130
3.3. АЦПДК с опережающим квантованием входного сигнала 138
3.4. Экстраполяционная коррекция динамической погрешности АЦП 153
Основные результаты и выводы 167
ГЛАВА 4. СТАТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП
И СПОСОБЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ 169
4-.I. Вводные замечания 169
4.2. Анализ инструментальной погрешности АЦП 170
4.3. Коррекция инструментальной погрешности быстродействующих АЦП
4-Л. Схемотехническое совершенствование характеристик отдельных узлов преобразователей
Основные результаты и выводы 201
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТІ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП
5.1. Вводные замечания
5.2. АЦПМД с цифровой коррекцией погрешности
5.3. АЦПДК с опережающим квантованием входного сигнала 215
Основные результаты и выводы 222
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 223
ЛИТЕРАТУРА 227
ПРИЛОЖЕНИЕ 238
Документы, подтверждающие внедрение 258
Результаты имитационного моделирования устройства последовательной аналоговой свертки
на ЭЦВМ EC-I022
- Методы квантования в АЦП мгновенного значения сигнала
- Динамические модели АЦПДК и АЦПМД. Основные динамические характеристики
- Цифровая коррекция динамической погрешности АЦПМД
- Анализ инструментальной погрешности АЦП
- АЦПМД с цифровой коррекцией погрешности
Методы квантования в АЦП мгновенного значения сигнала
В общем случае под квантованием [19] понимают преобразование непрерывной по размеру величины в квантованную величина прерывная по значению, которая в заданном диапазоне может принимать определенное конечное число значений) путем замены ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями (рис. I.I). Одним из основных параметров, характеризующих процесс квантования, является ступень квантования Q = Um/ Рт , где ]] - максимальный диапазон изменения сигнала; Р - максимальное число уровней квантования.
Размер Q может быть как постоянным (равномерное квантование), так и переменным (неравномерное квантование). В результате равномерного квантования непрерывную величину и (і) через квантованную U ft) представляют следующим выражением где Alt) - погрешность квантования, которая изменяется в пределах от D r Q (рис.1.1,6); p. (t) - номер уровня квантования.
Задачей квантования в АЦП является определение номера уровня квантования Р- [17], а процедура нахождения номера уровня квантования Р- в t: момент времени является процессом АЦ-преобразования мгновенного значения сигнала. Номер уровня квантования может быть выражен кодом (например, двоичным кодом), однако операция кодирования не существенно отражается на процессе АЦ-преобразования (получение квантованно-дискретизированной величины), а определяет только форму представления квантованной величины. Зачастую обе операции и квантование, и кодирование выполняются одним и тем же конструктивно совмещенным устройством [17], поэтому более подробно рассмотрим методы квантования, используемые при АЦ-преобразовании. (Здесь и в дальнейшем под АЦ-преобразованием будем понимать ;: процесс прямого АЦ-преобразования мгновенного значения сигнала).
Динамические модели АЦПДК и АЦПМД. Основные динамические характеристики
При АЦ-преобразовании обязательны процессы дискретизации и квантования, поэтому, естественно, и устройство АЦ-преобразования является дискретной системой. Причем в ДМ АЦПДК можно выделить непрерывную и дискретную части. Дискретным устройством является дискретизатор, а непрерывным - квантователь, и поэтому, прежде чем рассматривать ДМ АЦПДК, необходимо разработать ДМ квантователь и дискретизатор. Динамическая модель АЦПМД может быть разработана, если известна ДМ АЦПДК, так как обобщенные структурные схемы АЩШД содержат в своем составе мало разрядные АЦПДК (рис.І.ЗІ, 1.32).
Динамическая модель АЦДДК. Рассмотрим модель наиболее простого устройства квантования - параллельного квантователь. Функция преобразования квантователь (характеристика квантования) является существенно нелинейной (рис.1.2,а), а квантователь - нелинейным устройством. Нелинейные устройства могут быть в простейшем случае представлены моделями вида
Цифровая коррекция динамической погрешности АЦПМД
Способ цифровой коррекции динамической погрешности, используемый в преобразователях, реализующих метод АЦ-преобразования с многократной дискретизацией квантованной величины, впервые был предложен автором в работе L73] и в дальнейшем развит в работах [72,48,57,74]. Рассмотрим подробно механизм коррекции динамической погрешности на примере наиболее быстродействующего АЦПМД -двухтактного преобразователя (данный способ можно использовать и при трех и более тактах преобразования, но наибольшей эффективностью отличаются двухтактные преобразователи). На первом такте определяется цифровой эквивалент в момент времени с помощью - разрядного МАЦП. Считая, что динамическая погрешность МАЦП равна нулю, входной сигнал в момент времени t: можно представить с учетом (I.I) следующим выражением.
Во втором такте определяются оставшиеся (Л/-К ) разрядов, путем преобразования в код k(i-) . Для этого цифровой эквивалент старших разрядов Z. It-) преобразуется в напряжение, а затем выделяется разность между этим и входным
class4 СТАТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП
И СПОСОБЫ ЕЕ СНИЖЕНИЯ class4
Анализ инструментальной погрешности АЦП
Инструментальная погрешность АЦПДК и АЦПМД полностью определяется устройством квантования, входящим в состав преобразователей, а погрешность АЦПКД зависит еще и от инструментальной погрешности дискретизатор аналоговой величины, который используется в схеме (см.гл.1). Статическая погрешность дискретизаторов аналоговой величины определяется конкретной схемной реализацией устройства и в простейшем случае может быть учтена с помощью выражения (1.28). Инструментальная погрешность квантователя скрыта за методической, что усложняет проведение ее аналитического исследования, поэтому рассмотрим погрешность квантователей несколько подробнее.
Квантователи позиционного кода. При формировании функции преобразования квантователя (характеристики квантования) (рис. 4.1,в) параллельно во времени инструментальная погрешность квантователя А. зависит в основном от погрешности компараторов и источника задания опорных уровней. Значительно сложнее определяется максимальный размер Лс последовательного и параллельно-последовательного квантователей. Характер искажений ХК остается таким же, а влияние отдельных узлов квантователя на А. будет неравноценным. В первом каскаде определяется Р. уровень квантования с погрешностью а с т.е. максимальный размер А при нахождении Я уровней квантования определяется только устройством определения Р уровней квантования. Для определения р. уровня квантования (уровни квантования более младших разрядов) необходимо произвести преобразование Р. уровня квантования в квантованное напряжение U (обычно для этого используется ПКН). Эта операция провожается погрешностью 4.
Очевидно, что при определении р. уровня квантования как при алгоритме "вычитание", так и "сложение" А не будет влиять на результат определения р. . Так, например, при алгоритме "вычитание" оценивается разность (рис.4.1,6), в которую входит только 4.
АЦПМД с цифровой коррекцией погрешности
В рассматриваемом преобразователе реализован алгоритм коррекции погрешности, подробно описанный в п.3.2, который позволяет корректировать методическую составляющую динамической погрешности и инструментальную погрешность МАЦП старших разрядов (см.пЛ.З).
Структурная схема преобразователя (рис.5,1), разработанная при непосредственном участии автора [74], содержит коммутатор К, усилитель разности УР, последовательное соединение устройств аналоговой свертки УАС, набор пороговых элементов НПЭ, преобразователь кода Грея в двоичный, преобразователь кода в напряжение ПКН, схему разрешения переписи СхРП, регистр-счетчик СТ, схему совпадения И и устройство управления УУ. Апериодическое звено первого порядка RC (звено коррекции) служит для улучшения динамики преобразователя (см.п.2.5 и 3.2),
Преобразователь работает следующим образом. В начальный момент на шине I устройства управления (рис.5.2) вырабатывается сигнал, устанавливающий коммутатор К в положение, при котором к УАС подключается входной сигнал U . Через некоторое время ( - ty), отводимое на затухание переходных процессов в УАС, на шине 2 устройства управления вырабатывается сигнал, стробирующий пороговые элементы НПЭ. Таким образом, на триггерах памяти пороговых элементов фиксируется информация о входном сигнале, представленная шестью разрядами кода Грея. После этого управляющий сигнал с шины I устройства управления переводит коммутатор в положение, при котором к УАС подключается выход усилителя разности ( L), а управляющий сигнал с шины 3 устройства управления разрешает перепись кода в регистр-счетчик СТ ( ). Код шести старших разрядов, преобразованный в преобразователе кода Грея в двоичный код, одновременно записывается в регистр-счетчик СТ и преобразуется с помощью ПКН в напряжение, которое поступает на вход усилителя разности. Разность напряжений между входным сигналом и ПКН, усиленная в 32 раза, через коммутатор подается на УАС. По окончании переходных процессов в усилителе разности и УАС ( t ) на шине 2 устройства
