Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналого-цифршые преобразователи широкопо лосных сигналов. направления развития и постановка задачи повышения их динамической точности структурными способами 13
1.1. Основные параметры, характеризующие быстродействие АЦП 13
1.2. Классификация способов построения широкополосных АЦП 15
1.3. Сравнительный анализ способов и устройств аналого-цифрового преобразования широкопо лосных сигналов 17
1.4. . Постановка задачи повышения динамической точ ности АЦП структурными способами 27
Выводы по главе .;., 33
Глава II. Разработка и анализ способа повышения динамической точности аналого-цифрового преобразования с использованием дополнительного канала преобразования 34
2.1. Разработка способа введения в АЦП дополнительных преобразований, повышающих его динамическую точность 34
2.2. Анэлиз составляющих динамической погрешности АЦП с устройством выборки и хранения 41
2.3. Математическая модель динамической погрешности широкополосных АЦП 54
2.4. Анализ динамической погрешности АЦП с дополнительным дифференциальным каналом при случайном входном сигнале 62
2.5. Анализ динамической погрешности АЦП с дополни тельным дифференциальным каналом при детермини рованном входном сигнале 67
Выводы по главе 75
Глава III. Экспериментальные исследования математической модели динамической погрешности быстродейству ющих АЦП 77
3.1. Анализ методов измерения динамической погрешности. 77
3.2. Алгоритм измерения динамической погрешности при синусоидальном входном сигнале 80
3.3. Алгоритм измерения динамической погрешности при пилообразном входном сигнале 86
3.4. Экспериментальные исследования динамической погрешности 88
3.5. Анализ результатов измерения динэмической погрешности 93
3.6. Анализ погрешности компенсации систематической составляющей динамической погрешности 99
Выводы по главе 106
Глава ІУ. Исследование интегрирующего способа дискретизации широкополосных сигналсв 107
4.1. Интегрирующие устройства выборки и хранения с прямоугольными весовыми функциями 109
4.2. ИУВХ с косинусоидальными весовыми функциями... 112
4.3. Анализ погрешности восстановления сигналов по интегральным отсчетам 118
4.4. Анализ основных свойств ИУВХ с косинусоидальными весовыми функциями 126
4.5. Разработка косинусоидальных ИУВХ 130
4.6. Анализ динамической погрешности ИУВХ 137
Выводы по главе 142
Глава V. Разработка и экспериментальные исследования ацп, использующего структурную избыточность для повышения динамической точности 144
5.1. Варианты построения АЦП с использованием структурных способов повышения динамической точности. 144
5.2. АЦП с дополнительным дифференциальным каналом с использованием аналоговых запоминающих устройств.
5.3. Анализ динамической точности АЦП о дополнительным дифференциальным каналом 154
Выводы по главе 161
Заключение 162
Список литературы
- Классификация способов построения широкополосных АЦП
- Математическая модель динамической погрешности широкополосных АЦП
- Алгоритм измерения динамической погрешности при синусоидальном входном сигнале
- Анализ погрешности восстановления сигналов по интегральным отсчетам
Введение к работе
Актуальность работы. "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года",принятые на ХХУІ съезде КПСС, предусматривают совершенствование вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем сбора, передачи и обработки информации* Опережающими темпами намечено развивать производство быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним,электронных устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов,машин и оборудования [бв] .
Автоматизация научных исследований, широкое использование ЭВМ для обработки экспериментальных результатов и управления самим экспериментом обусловили бурное развитие техники аналого--цифрового преобразования. Однако существующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП) не удовлетворяют всем предъявляемым к ним требованиям и, в первую очередь, требованиям по быстродействию. Процессы, исследуемые,например, в технике ядерного эксперимента, имеют ширину спектра в десятки и сотни мегагерц, в то время как полоса входных сигналов быстродействующих АЦП ограничена величиной, на порядок меньшей.
Ограничение ширины спектра входного сигнала АЦП обусловлено возрастанием с повышением частоты сигнала методической и инструментальной погрешностей преобразования.
Методическая погрешность возникает вследствие невыполнения при дискретизации условий теоремы Котельникове, справедливой для — 6 "* сигналов с ограниченным спектром» Реальные сигнвлы конечны во времени и, следовательно, имеют неограниченный спектр. В связи с этим методическая погрешность присуща в равной степени всем системам обработки информации, использующим дискретную форму представления аналоговых сигналов. При оценке быстродействия АЦП эту погрешность, как правило, не учитывают, рассматривая только инструментальную погрешность.
Динамическая составляющая инструментальной погрешности (динамическая погрешность) возникает вследствие изменения сигнала в течение конечного времени преобразования. Возрастание погрешности при повышении скорости изменения сигнала ограничивает динамическую точность АЦП, 8 при заданном значении максимальной погрешности - ширину спектра входного сигнала.
Наиболее эффективный метод уменьшения динамической погрешности - запоминание мгновенного значения сигнала на время преобразования - позволяет преобразовывать с погрешностью около 1% сигналы с шириной спектра 10...15 МГц [55,102] .
В то же время частоте дискретизации быстродействующих АЦП достигает 100 МГц [44,67] , а при использовании многоканальных аналоговых запоминающих устройств может составлять 500 МГц и более [89] Использование же этих АЦП для преобразования сигналов с шириной спектра в десятки мегагерц приводит к резкому возрастанию динамической погрешности, что эквивалентно уменьшению числа разрядов АЦП. Так, например, в технических характеристиках одного из самых быстродействующих АЦП - 8-разрядного регистратора 4500 фирмы BComalion , имеющего частоту дискретизации 100 МГц, на частоте I МГц нормируется эффективное разрешение 7,1 разряда, а при повышении частоты разрешающая способность быстро падает и на 35 МГц составляет 5,1 разряда [67 ] . Поэтому задаче повышения динамической точности АЦП, предназначенных для преобразования широкополосных сигналов,не теряет актуальности.
Основным направлением решения этой звдачи является совершенствование интегральной технологии, приводящее к непосредственному улучшению динамических характеристик АЦП* Однако развитие этого направления возможно только при нэличии высокоразвитой технологической базы и требует значительных затрат нэ разработку новой технологии.
В связи с этим актуальной является задача уменьшения влияния неидеальности динамических характеристик АЦП на результирующую динамическую точность преобразования структурными методами.
Целью работы является повышение динамической точности АЦП.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
I* Установить, какие составляющие динамической погрешности оказывают доминирующее влияние на динамическую точность АЦП, и оценить количественное соотношение этих составляющих.
Разработать способы повышения динамической точности АЦП.
Исследовать технические возможности устройств, реализующих предложенные способы.
Разработать методику и технические средства измерения динамической погрешности АЦП высокого и сверхвысокого быстродействия.
Экспериментально исследовать устройства, реализующие предложенные способы, и создать АЦП с повышенной динамической точностью.
Методы исследования. В проведенных исследованиях использовались положения теории случайных процессов, линейных цепей, спектрального анэлиза,статистической обработки экспериментальных данных, общие принципы и методы построения АЦП,
Научная новизна. Впервые предложено для повышения динамической точности АЦП вводить в него второй канал преобразования с разностным дифференцированием входного сигнале АЦП и цифровым интегрированием его выходного кода. Установлено, что введение второго канала сникает дисперсию динамической погрешности обрэтно пропорционально частоте дискретизации.
Предложено для снижения динамической погрешности использовать весовую дискретизирующую функцию, совпадающую с косинусо-идальной функцией на интервале (--j-j 2 )* и исследованы технические возможности АЦП с данной весовой функцией.
Разработанэ оригинальная методика измерения динамической погрешности АЦП высокого и сверхвысокого быстродействия.
Впервые исследована нелинейность математической модели динамической погрешности АЦП с устройством выборки и хранения и установлены границы применимости линейной модели.
Практическая ценность работы.
Разработан способ повышения динамической точности АЦП, позволяющий уменьшить динамическую погрешность различных видов существующих АЦП, имеющих высокую частоту дискретизации.
Разработана методике измерения динамической погрешности и апертурного времени широкополосных АЦП.
Разработан АЦП с дополнительным дифференциальным каналом, обладающий среднеквадратическим отклонением динамической погрешности 0,8% на частоте входного сигнала 15 МГц при частоте дискретизации 560 МГц. Преобразователь внедрен на крупномасштабной термоядерной установке "Комбинированный пинч- 1,6 МДж",токемаке "Р-0 5" и стелларвторе "Р-0" в Сухумском физико-техническом институте. - э -На защиту выносятся: два оригинальных способа повышения динамической точности АЦП; результаты теоретического анализа предложенных способов; новая методика измерения динамической погрешности; результаты экспериментальных исследований математической модели динамической погрешности; разработанный АЦП повышенной динамической точности и результа- , ты его экспериментального исследования.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на :
П конференции молодых ученых Башкирского филиала АН СССР "Исследования по математике, физике, механике и их приложениям". Уфа, 1981 г.
Всесоюзной конференции "Методы и аппаратуре экспериментального исследования и контроля аналого-цифровых преобразователей". Пенза, 1982 г.
Всесоюзной школе-семинэре "Современные цифровые методы и средства измерения электрических величин". Пенза, 1983 г.
Научно-техническом семинаре Сухумского физико-технического института, Сухуми, 1983 г.
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Уфимского ордена Ленина авиационного института им. Серго Орджоникидзе. Уфа, 1978-1983 г.г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах - 3 статьях, 4 авторских свидетельствах и тезисах I доклада.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 112 наименований, приложения и содержит 133 страницы основного текста, 30 страниц рисунков и фотографий.
Содержание, В первой главе рассмотрены принципы построения широкополосных АЦП и выявлены факторы, ограничивающие их динамическую точность. Дана грубая оценка динамической погрешности АЦП как функции длительности дискретизирующей функции (аппаратной функции АЦП, осуществляющей процесс дискретизации) и интервала корреляции сигнала, В результате энализа механизма возникновения динамической погрешности предложены структурные способы повышения динамической точности АЦП: введением дополнительного преобразования, уменьшающего скорость изменения сигнала на входе АЦП, и соответствующего обратного преобразования для восстановления сигнала на выходе АЦП; учетом формы и длительности дискретизирующей функции и реализацией функций заданной формы, обеспечивающей уменьшение динамической погрешности АЦП,
Во второй главе разработан способ эналого--цифрового преобразования, основанный на введении второго канала преобразования с разностным дифференцированием входного сигнала АЦП и цифровым интегрированием выходного. Проведен анализ динамической погрешности АЦП с УВХ, На основе принятой модели погрешности исследована динамическая точность АЦП с дополнительным дифференциальным каналом при случайном и детерминированном входном сигнале. Рассчитана эффективность введения дополнительных преобразований сигнала в зависимости от частоты дискретизации и шага квантования,
В третьей главе описана методика измерения динамической погрешности быстродействующих АЦП, основанная на сравнении результата аналого-цифрового преобразования с образцовым сигналом, генерируемым в ЭВМ. Разработан алгоритм выделения случайной составляющей динамической погрешности и измерения апер- - II - турного времени АЦП, Приведены результаты экспериментальных исследований динамической погрешности широкополосного АЦП. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов математического моделирования динамической погрешности.
В четвертой главе исследованы интегрирующие устройства выборки и хранения (ИУВХ) с прямоугольной и коси-нусоидальной весовыми функциями, Доказэна возможность точного восстановления сигнала по интегральным косинусоидальным выборкам. Целесообразность использования косинусоидальной весовой функции подтверждена сравнительным анализом динамической точности ИУВХ с косинусоидальной и прямоугольной весовыми функциями. Проведен анализ погрешности восстановления сигнала по интегральным отсчетам с помощью фильтра низких частот. Получены выражения для составляющих погрешности восстановления, обусловленных различными механизмами восстановления. Рассмотрены вопросы практической реализации ИУВХ с косинусоидальной весовой функцией.
В пятой главе рассмотрены области применения предложенных способов повышения динамической точности АЦП и разработан АЦП с дополнительным дифференциальным каналом, реализующий один из предложенных способов. Проанализированы дополнительные составляющие погрешности, обусловленные введением структурной избыточности, и способы их уменьшения до требуемого уровня. Приведены результаты экспериментальных исследований разработанного АЦП.
В приложении приведены: программа обрэботки данных при измерении динамической погрешности, фотографии разработанного АЦП с дополнительным дифференциальным каналом и программе формирования его выходного кода для ЭВМ "Электроника ДЗ-28", акт внедрения.
Диссертационная работа выполнялась в рамках хоздоговорной научно-исследовательской работы, номер Гос.регистрации 80078435, проводимой в соответствии с программой "Исследование эмиссионных характеристик, удержания и нагрева плазмы в линейном мегаддоуле- вом комбинированном пинче и конструирование плэзмофокусных систем", утвержденной Государственным Комитетом по использованию атомной энергии в мирных целях при Совете Министров СССР, № 5-02« -03-04- 281 . - 46-3
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Аминеву A.M. за внимание и помощь, оказанные при работе над диссертацией. - ІЗ -
Классификация способов построения широкополосных АЦП
Целью данного параграфа является разработка классификации широкополосных АЦП, необходимой для сравнительного анализа их динамической точности.
Для проведения классификации способов построения широкополосных АЦП область рассмотрения существующих АЦП была ограничена преобразователями, работающими с частотой дискретизации fs /MTu и максимальной шириной спектра преобразуемого сигнала более 100 кГц. Динамическая точность является одной из основных характеристик таких АЦП, определяющей максимальную возможную частоту входного сигнала. Исходя из этого известные способы построения широкополосных АЦП рассматривались с точки зрения повышения динамической точности. В результате анализа составлена классификация АЦП широкополосных сигналов, приведенная в таблице І.І. В качестве классификационных признаков выбраны: - наличие или отсутствие устройства выборки и хранения (УВХ) на входе АЦП; - алгоритм работы АЦП; - вид информации, фиксируемой УВХ ; - тип используемого УВХ. Все существующие АЦП можно разделить на две большие группы: АЦП с УВХ на входе и АЦП без УВХ. К широкополосным АЦП без УВХ относятся следующие: парал лельные АЦП, АЦП с устройством амплитудной свертки входного сигнала, параллельно-последовательные с постоянными и переменными порогами, параллельно-последовательные с коррекцией и с опережением, конвейерные, АЦП с использованием СВЧ-методов, спорадические АЦП.
По виду фиксируемой информации УВХ делятся на две группы: УВХ мгновенных значений и интегрирующие УВХ.
Типы УВХ по виду используемых ключей и элементов памяти выделены следующие: УВХ с МШ-ключом, диодные УВХ, УВХ с диодно--мостовым ключом, УВХ на основе управляемого эмиттерного повторителя, цифровые УВХ, УВХ с линией задержки, многоканальные аналоговые запоминающие устройства (АЗУ).
Интегрирующие УВХ разделены на следующие группы: УВХ с ди-одно-мостовым ключом, УВХ на основе СВЧ-линии, УВХ по принципу свертки входного сигнала с прямоугольным импульсом и импульсом произвольной формы (/(і) .
В классификацию не вошли АЦП со сравнительно низким быстродействием, например АЦП развертывающего уравновешивания, и способы повышения их быстродействия, не дающие значительного эффекта Приведенная классификация позволяет выделить основные направления, по которым ведется разработка широкополосных АЦП, и перейти к сравнительному анализу преобразователей быстроменяющихся сигналов. Рассмотрим основные способы построения АЦП, реализованные в известных устройствах.
Широко распространенным методом уменьшения динамической погрешности АЦП является фиксация входного сигнала в течение времени преобразования с помощью УВХ, Использование УВХ с временем задержки отсчете ii0 -0.4... 0,3нс [19,99] позволяет снизить динамическую погрешность при максимальной частоте входного сигнала 10-15 МГц до единицы 6-7 разряда. Общими недостатками УВХ являются: статическая погрешность, ограничивающая число разрядов АЦП, как правило, на уровне 8-Ю, и относительно низкая частота дискретизации ( не более 20,.,30 МГц),
Требования к динамическим характеристикам АЦП, работающим с УВХ на входе, ослаблены. Важным параметром для них в этом случае остается лишь частота дискретизации, поэтому в таких устройствах используются параллельно-последовательные АЦП с постоянными [38, 109] и переменными [ 36] порогами, конвейерные АЦП [зі] , АЦП с устройством амплитудной свертки [99] и другие.
Рассмотрим подробнее характерные особенности основных видов УВХ.
УВХ мгновенного значения сигнала состоят из двух функцио-- нальных элементов: последовательного ключа напряжения и элемента памяти, в качестве которого обычно используется конденсатор. Ключ может быть построен на МШ-трэнзисторах [ 20,40,48,58,63] , однако в этом случае вследствие большого сопротивления открытого ключа время выборки составляет сотни нэносекунд [58,6з] , апертурное время также велико - около 3 не [40] Наибольшим быстродействием обладают диодные [l9] и диодно-мостовые ключи [20, 23,33,40,42,46,55,59,106,109,112] , а также ключи на основе управляемого повторителя [23,99] , Для них характерно малое время выборки (менее 30 не) и малое время задержки отсчета (0,1..,0,3 не). Низкое выходное сопротивление ключа уменьшает погрешность недозаряда, симметрия схемы мостовых ключей и введение в схему управления диодными ключами элементов, отслеживающих уровень выходного напряжения [l9] , позволяет минимизировать заряд переключения. В итоге, такие УВХ дают возможность преобразовывать в 7-разрядный код сигнал с полосой до 10 МГц.
Математическая модель динамической погрешности широкополосных АЦП
Цель параграфа - выбор и обоснование математической модели динамической погрешности для анализа динамической точности ДДАЦП.
В настоящее время не существует универсальной общепринятой модели динамической погрешности АЦП. Созданию такой модели препятствуют трудности измерения погрешности АЦП на высоких частотах и выделения динамической погрешности из полной погрешности преобразования, нелинейность и большой порядок дифференциальных уравнений, описывающих эквивалентную схему УВХ, неопределенность момента датировки полученного отсчета.
Упрощенная математическая модель динамической погрешности может быть полученэ из динамических характеристик, описывающих линейную модель АЦП и регламентируемых методическими указаниями
РД 50-148-79 [70] : времени задержки отсчета t o , его систематической составляющей t c и апертурного времени to. . Вычисление ігс и іа по [70] производится путем статистической обработки результатов измерения времени задержки отсчета при всех возможных значениях входного сигнале и его производной.
Динамическая погрешность наиболее широкополосных АЦП (АЦП с УБХ и параллельных АЦП) не зависит от уровня сигнала, поэтому с помощью параметров tiC и і а могут быть получены мгновенные оценки динамической погрешности: систематическая составляющая и среднеквадратическое отклонение случайной составляющей Є{Д}(іі)}= \к (іі)\-іа . (2.26) Соответствие модели (2 25) реальной динамической погрешности исследовано в параграфе 2.2. Там же показана правомерность использования этой модели и возможность компенсации систематической составляющей погрешности Лас путем выбора оптимального момента датировки отсчета.
Модель (2.26) согласуется с оценками, приведенными в работах [75,77,80,100]. Кроме того, возможность использования линейной модели динамической погрешности проверялась экспериментально. В главе Ш приведены результаты этого исследования, позволяющие сделать вывод о допустимости принятой модели.
Рассмотрим особенности процесса образования динамической погрешности в ДДАЦП. Математические ожидания погрешностей АЦПІ и АЦП2 в момент времени г =ic соответственно равны (2,27) Асг(іі) = і,с Хт( і) где Х(і) - сигнал на входе АЩІІ; Хт(і) = Х(і)-х(і-Т) - сигнал на входе АЦП2. Цифровое интегрирование выходных отсчетов АЦП 2 сопровождается накоплением динамической погрешности, поэтому ее систематическая составляющая после суммирования п отсчетов равна Асшт( ») С f- Xr(tl)- (2.28) В то же время значение производной X (tn) в первом канале можно представить суммой её приращений: Щ-%Пи)- (і«)]-[ (ь)- (ін)] рИ і). 2-29 Тогда лсі( п)=}с t- XrfahAtozfan)- (2.30)
Таким образом, при работе ДДАЦП сохраняется равенство систематических составляющих динамической погрешности в первом и втором каналах. Это дает возможность проводить коррекцию погрешности Л с Для всего ДДАЦП в целом, например, изменением датировки отсчетов, введением аналогового корректирующего фильтра на входе ДДАЦП и другими методами. Поэтому дальнейший анализ динамической погрешности ДДАЦП будем проводить только по отношению к случайной составляющей погрешности.
Дисперсия динамической погрешности с -го отсчета АЦП 2 равнэ:
В связи с независимостью значений случайной составляющей погрешности в разные моменты времени дисперсия на выходе цифрового интегратора после суммирования п отсчетов равна
6ln=t tlf.[Kr(U))Z. (2.32)
Дисперсия динамической погрешности АЦП І в этот же момент времени с учетом (2,29) имеет вид:
В тех случаях, когда Х т(іі) не меняет знак в течение времени суммирования, например, при нарастании производной X (t) от 0 до Ґта » из сравнения (2.32) и (2.33) следует, что 6 , 6 fn Для того, чтобы распространить область действия этого неравенства на весь интервал существования выброса производной Х (і) і соответствующий интервалу работы второго канала, восстановление сигнала должно вестись не в реальном масштабе времени. При этом суммирование выходных кодов АЦП 2 идет в двух направлениях: с первого члена до точки перегиба, в которой Xf меняет знак, и с последнего члена в обратном направлении до той же точки. В результате получается последовательность отсчетов входного сигнала с динамической погрешностью, дисперсия которой в каждой точке меньше дисперсии соответствующей погрешности отдельного АЦП.
Алгоритм измерения динамической погрешности при синусоидальном входном сигнале
Измерение динамической погрешности быстродействующих АЦП сопряжено со значительными трудностями. Как отмечалось в статье М.Нилэ и А.Мьютэ [75], литература с описанием тестов для опреде ления апертурного времени и соответствующей динамической погрешности практически отсутствует, а в технических характеристиках реальных АЦП эпертурное время задается на основе общих соображений.
Непосредственное измерение динамической погрешности может быть проведено путем сравнения выходного сигнала исследуемого АЦП с выходом образцового прибора либо с образцовым входным сигналом.
Метод сравнения с образцовым прибором может быть использован только для контроля АЦП, имеющих средние характеристики -быстродействие не выше сотен килогерц и число разрядов не более 8...10.
Метод сравнения с образцовым сигналом обладает более широкими возможностями. Современные измерительные генераторы синусоидальных сигналов обладают весьма высокой линейностью и временной стабильностью. Например, генератор HP864QB фирмы Hewlett- Раскопе/ обладает уровнем фазового шума, эквивалентным апертурному времени менее 12 пс на частоте 10 МГц [75] . Однако и при наличии образцового сигнала для выделения погрешности преобразования необходима жесткая синхронизация импульсов запуска АЦП с входным сигналом. Устройства, используемые для этого, должны иметь эпертурное время, значительно меньшее аналогичного параметра исследуемого АЦП. Таким образом, метод сравнения с образцовым сигналом также требует наличия образцового прибора.
Отсутствие образцовых приборов для измерений в наносекунд-ном диапазоне приводит к тому, что существующие методы контроля динамических параметров АЦП позволяют лишь оценить с той или иной степенью приближения динамическую погрешность преобразования и апертурное время АЦП. Учитывая этот факт, рассмотрим неко торые применяемые на практике методы измерения динамической погрешности АЦП.
Наглядная методике измерения динамической погрешности описана в работе [24] . Входной сигнал АЦП подается также на вход двухканального стробоскопического осциллографа. На другой его вход поступает сигнал с эталонного ЦАП, соответствующий выходному коду АЦП. Запуск АЦП осуществляется строб-импульсами осциллографа, поэтому число отсчетов в одном периоде сигнала может быть достаточно большим. Визуально определяемая разница между кривыми на экране позволяет судить о величине динамической погрешности на различных участках сигнала. Метод удобен для определения граничной частоты входного сигнала, когда динамическая погрешность превышает заданное значение. Однако точность измерений невысока, кроме того, оценке поддается только систематическая составляющая динамической погрешности.
Расчетно-графический метод измерения динамической погрешности, описанный в [23] , позволяет определить дисперсию ее случайной составляющей. Синхронизация импульсов запуска АЦП и входного сигнала осуществляется с помощью генераторов импульсов, обладающих большим апертурним временем, поэтому быстродействующие АЦП данным методом контролироваться не могут. Недостатком метода также является большая трудоемкость, так как все измерения и расчеты производятся вручную.
Частично автоматизировать процесс измерения позволяет стенд для оперативного контроля динамической погрешности быстродействующих АЦП, описанный в [57] Информация о динамической погрешности выводится на экран видео-контрольного устройства в форме кодовой таблицы. К недостаткам метода относится необходимость расшифровки кодовой таблицы, производимой вручную, и невозмож ность оценки случайной составляющей погрешности. Эта составляющая динамической погрешности измеряется с помощью автоматизированной системы СПА-І [ 1,70,71 ] или её варианта, разработанного в [17] , предназначенных для контроля параметров АЦП. Принцип работы этих систем основан на использовании образцового прибора (ЦАП или компаратора ), поэтому быстродействие системы также ограничено.
Автоматизированное вычисление динамической погрешности с помощью ЭВМ может быть произведено путем спектрального преобразования сигнала [23] Вычисляя дискретное преобразование Фурье выходного сигнала АЦП и выделяя из него появившиеся побочные гармоники, обусловленные динамической погрешностью, можно найти энергию, идущую на образование этих гармоник. По отношению максимальной побочной гармоники к основной гармонике сигнала можно оценить максимальную относительную погрешность. Использование спектральных преобразований приводит к потере фазовой информации, поэтому определение мгновенных характеристик погрешности невозможно.
Таким образом, существующие методы измерения динамической погрешности отличаются большой трудоемкостью, либо не обеспечивают измерения случайной составляющей погрешности, соответствующей фиксированным значениям сигнала.
Анализ погрешности восстановления сигналов по интегральным отсчетам
В параграфе 1.4- предложены два структурных способа повышения динамической точности АЦП. Один из них, связанный с использованием операции дифференцирования входного сигнала АЦП и интегрирования выходного, подробно рассмотрен в главе П, доведен до уровня практической реализации и проверен экспериментально. Результаты экспериментальных исследований приведены в главе У.
Второй способ повышения динамической точности основан на использовании весовой дискретизирующей функции известной формы.
В устройствах выборки и хранения мгновенного значения сигнала весовая функция 4(l) считается равной (Г -функции Дирака. Конечная длительность реальной весовой функции, как показано в параграфе ІЛ, является причиной возникновения динамической погрешности. Учет действительной формы весовой функции, с которой производится свертка входного сигнала, позволяет в принципе устранить динамическую погрешность и вычислить точное значение сигнала. Практическому использованию такого способа повышения динамической точности препятствуют трудности определения формы весовой функции для реальных устройств дискретизации. В связи с этим представляет интерес возможность использования весовых функций заданной формы. Точность задания формы весовой функции в процессе дискретизации определяет динамическую точность преобразования.
Устройства, осуществляющие свертку входного сигнала с заданной весовой функцией, относятся к сравнительно новому и недостаточно изученному классу - интегрирующим устройствам выборки и хранения (ИУВХ).
В работах советских и зарубежных ученых: А.М.Аминевэ, Г.Д. Бахтиарова, А.Н.Касперовича, В.А.Киселя, В.Д.Михотина, Э.К.Шахова, Линггарда, Хилла, Холта [3,23,47,54,72,73,95,96,98] исследуется возможность интегрирования сигнала в интервале взятия выборки, т.е. свертки его с прямоугольной весовой функцией. В [з,23] сделан вывод о том, что ИУВХ обладают меньшей динамической погрешностью и позволяют в несколько раз расширить спектр входных сигналов.
В работах [95,96 ] рассмотрены некоторые практические вопросы дискретизации с применением интегрирования. В [72,73] исследована возможность применения теоремы Котельникова при дискретизации сигнала с ограниченным спектром путем взятия дискретных отсчетов его скользящего интеграла і h(i) = J f(i)di, (4.1) i-Z где Г - интервал интегрирования входного сигнала /(i) .
В [98] решается задача нахождения ряда для восстановления функции f(i) по дискретным отсчетам h(nui) . Связь мгновенных и средних значений сигнала, полученных интегрированием (4.1), рассмотрена также в [47] .
Однако возможные виды ИУВХ не исчерпываются устройствами скользящего интегрирования. В [54] исследуется возможность дискретизации путем свертки-входного сигнала о весовой функцией произвольной формы. Актуальной является задаче отыскания оптимальной формы весовой функции с целью достижения максимальной динамической точности.
В данной работе не ставилась задача проведения исчерпывающего исследования интегрирующих УВХ. Основными решаемыми здесь задачами являются обоснование принципиальной возможности дискретизации широкополосных сигналов с помощью косинусоидальной весовой функции, разработка функциональных схем, реализующих предложенный способ дискретизацией сравнительная оценка динамической точности ИУВХ с косинусоидальной и прямоугольной весовыми функциями. В данной главе исследуются также погрешности восстановления сигнала по интегральным отсчетам с помощью обычного фильтра нижних частот, погрешности обусловленные конечным временем анализа и наличием шума на входе.
