Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
1.1. Статические характеристики и параметры АЦП
1.1.1. Статические характеристики и параметры, описывающие идеальный АЦП
1.1.2. Статические характеристики и параметры, описывающие реальный АЦП
1.2. Динамические характеристики и параметры АЦП ,2б~29
1.3. Технико-экономические показатели современных высококачественных АЦП
1.3.I. Сопоставление статических и динамических параметров для АЦП в модульном, гибридном и интегральном исполнении .36-59
1.4. Структурные методы повышения точности и структуры АЦП повышенной точности
1.5. Постановка задачи исследования 58'69
2. АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОГРЕШНОСТИ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ СТРУКТУРНЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ АЦП 60-118
2.1. Модель процесса аналого-цифрового преобразования
2.2. Анализ уравнения инструментальной погрешности АЦП замкнутого типа 67-84
2.3. Структурный метод уменьшения случайной составляющей погрешности АЦП 84-91
2.4. Исследование вопросов трансформации погрешности узлов АЦП в его характеристику квантования ,9 г99
2.5. Структурный метод периодической коррекции нелинейности АЦП с инкрементным запоминанием отсветов контрольного линейно-изменяющегося напряжения У У-НИ
2.5.1. Отличительные особенности и сущность метода .99-100
2.5.2. Алгоритм коррекции нелинейности АЦП с монотонным ЦАП в контуре
2.5.3. Алгоритм коррекции нелинейности АЦП с немонотонной характеристикой ЦАП в контуре обратной связи .Юч-ШУ
2.5.4. Оценка величины выборки В -II2
2.6. Оценка предельных возможностей структурных методов повышения точности АЦП
2.6.1. Оценка статических и динамических свойств системы периодической коррекции нелинейности АЦП .112
2.6.2. Оценка предельных возможностей метода уменьшения случайной погрешности (15-1/6
2.7. Основные результаты 1(6-(18
3. ВОПРОСЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УЗЛОВ ВК АЦП С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОГРЕШНОСТИ
3.1. Особенности структурной организации схем ВК АЦП с периодической компенсацией инструментальной погрешности 120
3.1.1. Особенности структурной организации аналоговых схем (20-(23
3.1.2. Особенности структурной организации цифровой части схем ВК АЦП
3.2. Структуры ВК АЦП с периодической компенсацией инструментальной погрешности 126
3.2.1. ВК АЦП с компенсацией погрешности нелинейности 126-12В
3.2.2. ВК АЦП с симметричными согласованными трактами
3.2.3. Структура ВК АЦП с периодической компенсацией систематической и возможностью уменьшения случайной погрешности 131-133
3.3. Рекомендации по проектированию узлов ВК АЦП
3.3.1. Особенности схемной организации и выбор параметров ГТН ВК АЦП /39"/33
3.3.2. Требования к квантующим компонентам ВК АЦП и согласование их параметров
3.3.3. Требования к дополнительному ЦАП ВК АЦП и выбор его параметров
3.3.4. Проектирование сдвоенных согласованных ЦАП на сетках Я-IR 142-Ю
3.3.5. Требования к ИОН ВК АЦП и рекомендации по
уменьшению его температурной нестабильности
3.4. Примеры технической реализации ВК АЦП с коррекцией характеристики квантования
3.4.1. АЦП системного назначения для сопряжения ВК 7, М 7000 с объектом "К0Д-9.3.К"
3.4.2. АЦП системного назначения для микро-ЭВМ "Электроника-60" 156-/59
3.4.3. Высококачественный АЦП системного назначения со встроенным микропроцессором 159-163
3.5. Основные результаты и выводы /63-/69
4. СИСТЕМА И МЕТОДИКА ЭКСПЕШШТГАЛЪНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВК АЦП 165490
4.1. Подход к экспериментальному исследованию характеристик ВК АЦП 166-168
4.2. Система для исследования характеристик ВК АЦП
4.3. Предельные возможности системы для экспериментального исследования характеристик ВК АЦП
4.4. Методика экспериментального исследования характеристик ВК АЦП с коррекцией нелинейности
4.5. Методика экспериментального исследования характеристик структур ВК АЦП с симметричными согласованными трактами
4.6. Основные результаты
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 191-193
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ШЧ'206
ПШГОЖЕНИЕ I. Программы проведения экспериментов по исследованию характеристик АЦП 207-215
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. tf -функции, применяемые при проведении исследований характеристик АЦП
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Пример использования АЦП 004 в системе обработки изображений пь-т
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты о внедрении результатов работы 225-231
- Статические характеристики и параметры АЦП
- Модель процесса аналого-цифрового преобразования
- Особенности структурной организации схем ВК АЦП с периодической компенсацией инструментальной погрешности
- Подход к экспериментальному исследованию характеристик ВК АЦП
Статические характеристики и параметры АЦП
Настоящий раздел посвящен постановке задачи исследования. Изучение литературы по аналого-цифровой тематике / -26 ,
21-56 / показывает, что в настоящее время зарубежными фирмами и отечественной промышленностью выпускаются АЦП в модульном, гибридном и интегральном исполнении с разрядностью от 6 до 16 двоичных разрядов и временем преобразования от 10 не до 500 мкс. Однако, инструментальная погрешность высокоразрядных преобразователей, при их работе в широком диапазоне изменений условий окружающей среды оказывается сравнимой с квантом 10-разрядных АЦП. Совершенствование высокоразрядных АЦП технологическими методами не привело к существенному повышению их статической и динамической точности.
В то же время, достижения микроэлектроники и микропроцессорной техники изменили подход к проектированию АЦП. БИС памяти, микропроцессорные и периферийные БИС, идентичные согласованные компоненты, выполненные на одном кристалле (чипе), могут быть встроены в преобразователь. Это создает предпосылки построения высококачественных АЦП с привлечением вычислительных возможностей микропроцессоров для устранения технологического несовершенства преобразователя структурными методами повышения точности. Согласованные компоненты АЦП, выполненные на одном кристалле, могут служить для разработки эффективных структур, обеспечивающих существенное уменьшение случайной погрешности АЦП.
С целью сопоставеения статических и динамических показателей точности изготовляемых АЦП, вводятся единые параметры, учитывающие инструментальную погрешность привязки по уровню и во времени.
Сопоставление точностных параметров различных по структуре высококачественных АЦП позволило оценить предельные возможности современных технологических методов повышения их точности и обосновать необходимость применения структурных методов для дальнейшего совершенствования их точностных характеристик.
Изучены известные структурные методы повышения точности и выявлены их недостатки, такие, как низкая помехоустойчивость, ограниченность учета температурного и временного дрейфа из-за использования в структурах - ПЗУ поправок, необходимость использования специальных цифровых и аналоговых схем с нерегулярной структурой: кодирование в системах счисления с иррациональным основанием / 57 / или основанием, не кратным степени два, например, 1,8 /58 /.
Обосновано два направления в разработке новых структурных методов повышения точности:
с привлечением вычислительных возможностей микропроцессорных средств для компенсации систематической погрешности АЦП (в первую очередь - погрешности нелинейности);
с использованием в структурах согласованных парных компонентов АЦП, выполненных на одном кристалле для уменьшения случайной погрешности преобразователя.
Модель процесса аналого-цифрового преобразования
Для выявления причин, вызывающих ошибки аналого-цифрового преобразования сигнала и выяснения возможности коррекции и стабилизации характеристики квантования АЦП, рассмотрим его обобщенную структурную схему (рис. 2.1).
АЦП включает датчики (Д), устройство предварительной обработки входных или контрольных сигналов (ПОС), сравнивающее устройство (СУ), генератор образцовых мер (ГСЖ), формирователь контрольных сигналов (ФКС), устройство управления и цифровой обработки результата сравнения (УУОК).
К предварительной обработке отнесем такие операции, как дискретизация сигнала (АЦП с устройством выборки-хранения на входе), нормирование сигнала по амплитуде (АЦП с логарифмической шкалой), свертка сигнала по амплитуде (АЦП с устройствами амплитудной свертки на входе /88 /), временное разделение каналов (АЦП с коммутатором на входе), интегрирование сигнала (для штегрирующих АЦП) и так далее. К множеству операций предварительной обработки следует отнести также подмножество так называемых вырожденных операций, то есть операций без цифрового управления в отличие от вышеперечисленных. Это такие операции, как преобразование импеданса, преобразование напряжения в ток, повторение (трансляция сигнала со входа на выход без изменения), разветвление (один выход соединяется со множеством входов) и так далее. Результат предварительной обработки представляется в виде множества нормированных сигналов, поступающих на первую группу входов сравнивающего устройства где т. - число входов в первой группе.
СУ обобщенного АЦП представляет собой множество элементарных устройств сравнения с двумя группами входов, функции выхода которых представляются единичными функциями от аргументов входов. На вторую группу входов СУ подается компенсирующая величина Х& , представляющая собой множество образцовых мер, формируемых ГОМ. Множество этих мер является функцией от первичной образцовой меры $0 и может быть развернуто в пространстве и во времени где I - число тактов АЦП, т - число пространственных мер, формируемых одновременно, cлo последних равно числу элементарных СУ. ФКС формирует множество контрольных сигналов которые являются производными от первичной образцовой меры и развернуты в пространстве. Эти сигналы используются для коррекции характеристики аналого-цифрового тракта. Результат сравнения ХИ и ХА представляется в виде множества
и подвергается дальнейшей обработке в устройстве УУЦО. УУЦО предназначено для управления предварительной обработкой сигна-лов X » ХС - (УОС), управления формированием образцовых мер в многотактных АЦП - (УВЛ), а также для цифровой обработки результата сравнения Г.
Особенности структурной организации схем ВК АЦП с периодической компенсацией инструментальной погрешности
Разработанные во втором разделе структурные методы повышения точности АЦП предполагают введение структурной избыточности в схему классического АЦП. Например, для реализации алгоритмов коррекции нелинейности характеристики квантования необходимыми являются узлы генератора треугольного напряжения (ГТН), входного коммутатора каналов (КК), УВХ, дополнительного ЦАП.
ГТН предназначен для формирования напряжения с пространственно-замкнутой характеристикой, что позволяет применять метод преобразования системы координат /2J07/ для получения высоко линейной наклонной сигнальной функции, используемой в качестве контрольного сигнала для коррекции нелинейности тракта аналого-цифрового преобразования.
Входной коммутатор каналов (КК) выполняет активную роль как в режиме коррекции характеристики квантования тракта аналого-цифрового преобразования - для подключения ко входу квантователя опорного нулевого потенциала ( Уо ), опорного постоянного напряжения ( VM ) или напряжения с выхода ГТН. Достоинством схем АЦП с коммутатором каналов является возможность исследования его динамических характеристик. При этом для формирования скачкообразного сигнала используются два соседних канала, на вход одного из которых подают положительное напряжение от опорного источника, а на другой - отрицательное. Эти напряжения используют также для коррекции наклона характеристики.
В основном режиме ко входу квантователя подключаются рабочие каналы АЦП.
Устройство выборки-хранения (УВХ) также выполняет активную роль как в режиме коррекции нелинейности, так и в основном режиме.
Как было показано выше, наибольшее влияние на величину погрешности нелинейности оказывают старшие разряды ЦАД в контуре обратной связи АЦП. Компенсация погрешности каждого из разрядов ЦАП требует дополнительных временных затрат. Для хранения поправок необходима дополнительная память, объем которой в микро-ЭВМ и микропроцессоре ограничен, йце одним ограничением на возможность компенсации погрешности всех разрядов ЦАП является то, что эффективность метода преобразования системы координат будет высокой лишь в том случае, когда гарантируется стабильность характеристики ГТН на время прямого и обратного интегрирования напряжения. Иными словами, трудно обеспечить взаимную компенсацию нелинейности ГТН на больших периодах.
Для ВК АЦП без УВХ выполнение последнего условия было бы невозможно, поскольку в этом случае динамическая погрешность, вызванная изменением напряжения ГТН за время преобразования, была бы значительно выше, чем величина кванта АЦП, что не позволило бы получить достоверных оценок величин поправок.
В основном режиме УВХ выполняет роль дискретизатора и позволяет уменьшить погрешность неопределенности привязки отсчета во времени.
Дополнительный ЦАП позволяет вводить компенсирующую величину, учитывающую погрешности нелинейности, наклона, смещения.
Линейность этого ЦАП должна соответствовать 1/4 кванта АЦП согласно требованиям метрологии / #7 /. Так как диапазон коррекции смещения, наклона и нелинейности не превышает величины кванта младшего из группы корректируемых старших разрядов, то требуемая линейность обеспечивается сужением рабочего диапазона дополнительного ЦАП с помощью пассивных делителей (напряжения, тока).
Подход к экспериментальному исследованию характеристик ВК АЦП
Особенностью экспериментального исследования характеристик ВК АЦП является резкое увеличение объема экспериментальных данных при вычислении параметров, характеризующих статические и динамические свойства АЦП, что ведет к увеличению времени проведения эксперимента и ужесточает требования к стабильности параметров системы на этот промежуток времени. Системы, предназначенные для исследования характеристик таких АЦП, должны быть замкнутыми, иметь большой объем памяти для хранения данных эксперимента, а запись данных в ОЗУ должна осуществляться с максимальной скоростью для минимизации времени проведения эксперимента.
Для исследования характеристик АЦП, имеющих выпавшие кодовые комбинации, ранее предлагались методы, основанные на непосредственном квантовании тестового линейно-изменяющегося напряжения, записи реализации в память ЭВМ и обработке результатов по методу наименьших квадратов. Время проведения эксперимента по определению дифференциальной и интегральной нелинейности АЦП в этом случае составляло десятки минут /ЄУ/, а объем памяти, требуемый для хранения реализации был таков, что приходилось использовать внешние запоминающие устройства.
Доказательство принципиальной монотонности характеристики АЦП независимо от распределения систематической погрешности узлов АЦП позволяет обосновать возможность исследования характеристик АЦП (в том числе и с выпавшими кодовыми комбинациями) методом накопления частостей появления кодов /НО, 73 /.
В качестве контрольного сигнала при экспериментальном исследовании статических характеристик ВК АЦП используется линеаризованный с помощью метода преобразования системы координат сигнал ноклонной формы. Вычисление ширины каждого из исследуемых квантов характеристики АЦП методом накопления частостей появления кодов при равномерном квантовании наклонного контрольного сигнала вместо непосредственного его квантования позволяет снизить требования к стабильности тока интегрирования, обеспечить исключение влияния случайных шумов системы и АЦП на достоверность оценок ширины квантов при достаточном объеме выборки. Число ячеек памяти для хранения данных эксперимента уменьшается при этом до 2. , где ПК - число корректируемых разрядов АЦП. Время проведения эксперимента уменьшается до десятков секунд, поскольку число преобразований на квант при вычислении параметров характеристики может быть уменьшено до нескольких сотен.
Такой прием используется при вычислении дифференциальной и интегральной нелинейности АВД и его интегральной характеристики инструментальных шумов.
Поскольку на параметры системы, определяющие ее статические и динамические свойства, влияют те же дестабилизирующие факторы, что и на АЦП, а сама системы является стационарной, то целесообразно уменьшать коэффициенты влияния возмущающих факторов помимо структурных методов повышения точности и достоверности измерения, применением технологических приемов, таких как гальваническое разделение цепей управления, термо-статирование аналоговых узлов системы, экранирование, минимизация и симметрирование соединительных проводов между модулями системы.
