Разработка и описание системы измерительных каналов для определения статических и динамических характеристик. Статические и динамические характеристики средств измерений

Предисловие
Глава 1. Особенности построения быстродействующих микросхем ЦАП, АЦП и аппаратуры для измерения их электрических параметров
1.1. Особенности построения и конструктивное исполнение ЦАП
1.2. Особенности построения и конструктивное исполнение АЦП
1.3. Особенности построения аппаратуры для измерения электрических параметров ЦАП и АЦП
Глава 2. Параметры микросхем ЦАП, АЦП и их определения
2.1. Общие понятия
2.2. Статические параметры ЦАП
2.3. Динамические параметры ЦАП
2.4. Статические параметры АЦП
2.5. Динамические параметры АЦП
Глава 3. Схемы построения и электрические характеристики микросхем ЦАП
3.1. Двенадцатиразрядный ЦАП К594ПА1 с временем установления 3,5 мкс
3.2. Десятиразрядные ЦАП КМ1118ПА2, КР1 118ПА2 с временем установления 50 нс
3.3. Восьмиразрядные ЦАП КП18ПА1, КМ1118ПА1 с временем установления 20 нс
3.4. Восьмиразрядный ЦАП K1118ПАЗ с временем установления 10 нс
Глава 4 Схемы построения и электрические характеристики микросхем АЦП
4.1. Шестиразрядный АЦП К1Ю7ПВ1 с частотой преобразования 20 M1ц
4.2. Шестиразрядные АЦП КП07ПВЗ с частотой преобразования 100 и 50 МГц
4.3. Восьмиразрядный АЦП К1107ПВ2 с частотой преобразования 20 МГц
4.4. Восьмиразрядные АЦП КП07ПВ4 с частотой преобразования 100 и 60 МГц
Глава 5. Методы и аппаратура для измерения статических и динамических параметров, микросхем ЦАП
5.1. Методы измерения статических параметров ЦАП
5.2. Аппаратура для измерения статических параметров ЦАП
5.3. Методы измерения динамических параметров ЦАП
5.4. Аппаратура для измерения времени установления ЦАП
5.5. Схемы включения ЦАП К594ПА1, К1П8ПА1, K1118ПА2, КП8ПАЗ, К1118ПА4 при измерении времени установления и особенности их конструктивного исполнения
Глава 6. Методы и аппаратура для измерения статических и динамических параметров микросхем АЦП
6.1. Методы измерения статических параметров АЦП
6.2. Аппаратура для измерения статических параметров АЦП
6.3. Методы измерения и принципы построения измерителей динамических параметров АЦП
6.4. Аппаратура для измерения динамических параметров АЦП
6.5. Схемы включения ИС АЦП КП07 при измерении динамических параметров и особенности их конструктивного исполнения
Глава 7. Основные функциональные узлы измерителей динамических параметров микросхем ЦАП и АЦП
7.1. Измерители временных интервалов
7.2. Контактирующие головки для измерения динамических параметров ИС
7.3. Генераторы тестовых импульсов
7.4. Корпуса для ИС и их паразитные конструктивные параметры
7.5. Усилители выходных сигналов ЦАП
7.6. Адаптерные платы
Глава 8 Особенности измерения и аппаратуры для контроля электрических параметров микросхем ЦАП и АЦП в процессе их изготовления
8.1. Контроль на пластинах
8.2. Функциональная подгонка
8.3. Контроль и измерение параметров ИС в диапазоне температур
8.4. Электротермотренировка
Глава 9. Перспективы развития быстродействующих микросхем ЦАП, АЦП и измерение их параметров
9.1. Пути увеличения быстродействия и разрядности АЦП
9.2. Пути увеличения быстродействия и разрядности ЦАП
9.3. Пути увеличения точности и широкополосности измерителей электрических параметров ЦАП и АЦП

Существуют различные методы компенсации статических погрешностей ЦАП. Основным классификационным признаком методов является класс учитываемых ошибок. По этому признаку выделяются следующие методы:

1. Коррекция масштаба и нулевой точки характеристики;

2. Коррекция отклонения коммутируемых мер;

3. Коррекция нелинейности общего вида (как интегральной, так и дифференциальной).

Прежде всего, коррекция погрешностей производится при изготовлении преобразователей (технологическая подгонка). Однако, часто она желательна и при использовании конкретного образца БИС в том или ином устройстве. В последнем случае коррекция проводится за счет введения в структуру устройства кроме БИС ЦАП дополнительных элементов, т. е. на структурном уровне. Вследствие этого такие методы получили название структурных.

В состав ЦАП входят различные функциональные узлы. При осуществлении подгонки каждый из узлов подгоняется независимо от других. Алгоритм подгонки должен, прежде всего, обеспечить монотонность функции преобразования, затем ее линейность, отсутствие смещения нуля и требуемый коэффициент преобразования.

Самым сложным процессом является обеспечение монотонности и линейности, ибо они определяются связанными параметрами многих элементов и узлов. Чаще всего осуществляют подгонку только смещения нуля, коэффициента преобразования и дифференциальной нелинейности симметричного типа, т.е. нелинейности обусловленной погрешностями делителя и той части погрешностей ключей, которые можно свести к погрешностям такого рода. Остального рода погрешности носят суперпозиционный характер, т.е. проявляются во взаимовлиянии элементов друг на друга. Такие погрешности выявлять, контролировать и корректировать очень сложно.

Точностные параметры, обеспечиваемые технологическими приемами, ухудшаются при воздействии на преобразователь различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь – температуры. Необходимо помнить и о факторе старения элементов.

С ростом точности затраты на разработку преобразователей и их изготовление всегда растут. С учетом всего этого улучшения метрологических показателей рационально добиваться комплексно, используя технологические приемы с различными структурными методами. А при использовании готовых интегральных преобразователей структурные методы это единственный путь дальнейшего повышения метрологических характеристик системы преобразования.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Среди структурных методов линеаризации характеристики необходимо выделить компенсационные методы и методы с контролем по тестовому сигналу.

Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением, рассчитанных на основе этого поправок, к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.

При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

1. Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.

2. Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.

3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.

4. Проведение коррекции.

Первые три пункта относятся к процессу контроля, последний пункт - к процессу преобразования, т.к. проведение коррекции осуществляется во время преобразования.

Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования. Может проводиться и с помощью специализированного оборудования встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, все то время пока преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Это обеспечивает долговременную метрологическую стабильность работы преобразователя даже при постоянном воздействии на него каких-либо дестабилизирующих факторов. Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при его работе в составе микропроцессорной измерительной системы.

Простейшая модель нелинейной составляющей погрешности ЦАП основана на допущении стабильности погрешности для каждого кода и случайной зависимости ее от кода. Очевидно, что идентификация параметров такой модели требует измерения выходного сигнала на всех допустимых кодах (метод сквозного контроля). Обязательным для этого метода является использование прецизионного измерителя.

Основной недостаток любого метода сквозного контроля – большое время контроля наряду с разнородностью и большим объемом используемой аппаратуры.

Большая группа методов контроля по тестовому сигналу основывается на предположении о независимости весов разрядов от преобразуемого кода. При этом можно составить систему независимых уравнений, число которых равно количеству корректируемых разрядов преобразователя. Часто эту систему уравнений добавляют еще двумя, определяющими погрешность смещения нуля и масштабную погрешность. Для составления каждого уравнения на вход преобразователя подают код из заданного набора. После разрешения такой системы уравнений удается найти погрешности задания каждого разряда, а, следовательно, и поправочное (компенсирующее) значение для каждого значения входного кода. Такие методы получили в настоящее время наибольшее распространение и применяются при построении микропроцессорных управляющих систем.

Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме.

При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока. Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено цифровое ЗУ (рис.17.а). Входной код играет роль адресного. В ЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.

Рис. Цифровая (а) и аналоговая (б) коррекция погрешностей ЦАП

При аналоговой коррекции (рис.17.б) кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ЗУ поправок. Из ЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.

В ряде случаев возникает необходимость проведения коррекции динамики работы ЦАП.

Переходная характеристика ЦАП при смене различных кодовых комбинаций будет различной, иными словами – различным будет время установления выходного сигнала. Поэтому при использовании ЦАП необходимо учитывать максимальное время установления. Однако в ряде случаев удается корректировать поведение передаточной характеристики.

Зададимся временем преобразования меньшим максимального времени установления. Если удастся идентифицировать динамические параметры ЦАП можно рассчитать такие поправки к входному коду ЦАП, при которых выходное значение за это заданное время будет достигать необходимого значения. В этот момент необходимо фиксировать результат преобразования последующих за ЦАП узлов системы, так как после этого момента выходной сигнал ЦАП будет продолжать изменяться, причем выходить на уровень соответствующий не входному коду, а его скорректированного значения.

Значительные трудности возникают при уменьшении случайной погрешности при измерении изменяющейся во времени величины. При этом для получения наилучшей оценки измеряемой величины применяют процедуру фильтрации. В зависимости от вида используемых преобразований различают линейную и нелинейную фильтрацию, где реализация отдельных процедур может быть осуществлена как аппаратными, так и программными средствами.

Фильтрация может применяться не только для подавления помех, наводящихся на входные цепи передачи аналогового сигнала, а при необходимости и для ограничения спектра входного и восстановления спектра выходного сигнала (об этом уже говорилось ранее). При необходимости могут применяться фильтры с перестраиваемой частотой среза.

Применение автоматической коррекции систематических погрешностей можно рассматривать как проведение адаптации канала к его собственному состоянию. Применение современной элементной базы позволяет сегодня реализовывать входные цепи, адаптирующиеся к характеристикам входного сигнала, в частности, к его динамическому диапазону. Для такой адаптации необходим входной усилитель с управляемым коэффициентом передачи. Если по результатам предшествующих измерений удалось установить, что динамический диапазон сигнала мал по сравнению с диапазоном входного сигнала АЦП, то коэффициент усиления усилителя увеличивают до тех пор, пока динамический диапазон сигнала не будет соответствовать диапазону работы АЦП. Таким образом удается добиться минимизации погрешности дискретизации сигнала и, следовательно, повышения точности проведения измерений. Изменение коэффициента усиления сигнала на входе учитывается при этом программно при обработке результатов измерений цифровым контроллером.

Критерии оценки соответствия динамического диапазона сигнала и диапазона работы АЦП будут рассмотрены далее, будут рассмотрены и способы адаптации входного канала к частотным свойствам входного сигнала.

2.4. Устройства выборки-хранения

При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала на некоторый промежуток времени. Для этого используются устройства выборки и хранения (УВХ). Другое название таких устройств – аналоговые запоминающие устройства (АЗУ). Их работа осуществляется в двух режимах. В режиме выборки (слежения) они должны повторять на своем выходе входной аналоговый сигнал, а в режиме хранения – сохранять и выдавать на свой выход последнее входное напряжение, предшествующее моменту перевода устройства в этот режим.

В простейшем случае при построении УВХ для осуществления этих операций нам потребуется лишь конденсатор С ХР и ключ S (рис. 2.12.а ). При замкнутом ключе напряжение на конденсаторе и на выходе УВХ будет повторять входное. При размыкании ключа напряжение на конденсаторе, величина которого будет равна входному напряжению на момент размыкания ключа, будет сохраняться на нем и передаваться на выход УВХ.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image030_18.jpg" width="457" height="428 src=">

Р и с. 2.12. Функциональная схема УВХ (а ) и временные диаграммы ее работы (б )

Очевидно, что при практической реализации уровень напряжения на конденсаторе в режиме хранения не будет оставаться постоянным (рис. 2.12.б ) из-за его разрядки током на нагрузку и разрядки за счет собственных токов утечки . Для того чтобы напряжение конденсатора как можно дольше оставалось на допустимом уровне на выходе УВХ устанавливают повторитель на ОУ (DA 1 на рис. 2.12.а ). Как известно повторитель обладает большим входным сопротивлением. Это «развязывает» по сопротивлению цепь конденсатора и цепь нагрузки и существенно уменьшает разряд конденсатора через нагрузку. Для уменьшения собственных токов утечки нужно выбрать конденсатор с качественным диэлектриком. И конечно, для того, чтобы напряжение на конденсаторе как можно дольше оставалось постоянным его необходимо взять как можно большей емкости.

При переводе УВХ из режима хранения в режим слежения напряжение на конденсаторе достигнет текущего уровня входного напряжения не сразу (рис. 2.12.б ). Время, за которое это произойдет, будет определяться временем зарядки конденсатора – это время называют временем захвата или временем выборки. Конденсатор будет заряжаться тем быстрее, чем большим будет ток его заряда. Для того чтобы этот ток не ограничивался выходным сопротивлением предыдущего каскада на входе УВХ тоже устанавливают повторитель на ОУ (DA 2 на рис. 2.12.а ). В данном случае используется то свойство, что повторитель имеет низкое выходное сопротивление. Конденсатор будет заряжаться тем быстрее, чем меньше его емкость. Таким образом, условия выбор значения емкости конденсатора для оптимальной работы УВХ в разных режимах противоречивы – емкость конденсатора должна выбираться каждый раз исходя из конкретных требований к длительности режимов его работы.

Входной повторитель управляет емкостной нагрузкой. Поэтому для его построения используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке.

При использовании УВХ в АЦП время хранения, как правило, ненамного превышает время преобразования АЦП. При этом номинал конденсатора выбирается таким образом, чтобы получить наилучшее время захвата при условии, что спад напряжения за время одного преобразования не превышает величины младшего разряда АЦП.

Поскольку диэлектрические потери в запоминающем конденсаторе являются одним из источников погрешностей лучше всего выбирать конденсаторы с диэлектриком из полипропилена, полистирола и тефлона. Слюдяные и поликарбонатные конденсаторы имеют уже весьма посредственные характеристики. И совсем не следует использовать керамические конденсаторы.

К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, которое обычно не превышает 5 мВ (если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе; ОУ с полевыми транзисторами на входе, имеют более значительное смещение нуля) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10-3 до 10-1 В/c нормируется при емкости С ХР = 1 000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости С ХР. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку – период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.

Существует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими характеристиками. Ряд схем включает в себя внутренний конденсатор хранения и гарантирует максимальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01 % для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс. Если нужны более высокие рабочие характеристики, можно использовать гибридные и модульные УВХ.

В качестве примера практического построения УВХ на рис. 2.13 приведена функциональная схема БИС К1100СК2 (LF398). Схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему – с выхода повторителя на операционном усилителя DA 2 на вход повторителя на усилителе DA 1.

Датирование" href="/text/category/datirovanie/" rel="bookmark">датирования отсчета АЦП при измерении изменяемого сигнала, в многоканальных измерительных системах для одномоментного снятия данных с различных датчиков, устранения высокочастотных выбросов в выходном сигнале ЦАП при смене кода. Эти и другие применения УВХ будут более подробно рассмотрены в дальнейшем материале.

3. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1 Общие способы реализации

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называются устройства служащие для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине пропорциональный значению кода.

ЦАП широко применяются для связи цифровых управляющих систем с исполнительными устройствами и механизмами, которые управляются уровнем аналогового сигнала, в качестве составных частей более сложных аналого-цифровых устройств и преобразователей.

В практике в основном находят применение ЦАП для преобразования двоичных кодов, поэтому далее речь будет вестись только о таких ЦАП.

Любой ЦАП характеризуется, прежде всего, своей функцией преобразования, которая связывает изменение входной величины (цифрового кода) с изменением выходной величины (напряжения или тока) рис. 3.1.

Р и с. 3.1. Функция преобразования (передаточная характеристика) ЦАП

Аналитически функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом (для случая, когда выходной сигнал представлен напряжением):

U ВЫХ = (U МАХ / N МАХ) N ВХ, где

U ВЫХ – значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N ВХ, подаваемому на входы ЦАП.

U МАХ – максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N МАХ.

Величину К ЦАП, определяемую отношением U МАХ/N МАХ, называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Его постоянство для всего диапазона изменения аргументов определяет пропорциональность изменений величины выходного аналогового сигнала соответствующим изменениям величины входного кода. Именно поэтому, несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину N ВХ представить через значения весов его разрядов функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом:

U ВЫХ = КЦАП, где

i – номер разряда входного кода N ВХ;

A i – значение i -го разряда (ноль или единица);

U i – вес i -го разряда;

n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Данный способ записи функции преобразования во многом отражает принцип функционирования большинства ЦАП, по существу заключающийся в проведении суммирования долей аналоговой выходной величины (суммирования аналоговых мер), каждая из которых пропорциональна весу соответствующего разряда.

В целом, по способу построения выделяют ЦАП со взвешенным суммированием токов, со взвешенным суммированием напряжений и на основе кодоуправляемого делителя напряжения.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования токов в соответствии со значениями разрядов входного кода N ВХ суммируются сигналы генераторов токов и выходной сигнал представлен током. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. 3.2. Значения токов генераторов выбираются пропорциональными весам разрядов двоичного кода, т. е. если значение тока наименьшего по величине генератора тока, соответствующего младшему разряду входного кода, равно I , то значение каждого следующего должно быть больше предыдущего в два раза – 2I , 4I , 8I . Каждый i -й разряд входного кода N ВХ управляет i -м ключом S i. Если i -й разряд равен единице, то соответствующий ключ замыкается и тогда ток генератора, у которого величина тока пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного тока преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного тока I N ВХ.

Р и с. 3.2. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования токов

N S 1, S 2 и S 4 в схеме на рис. 3.2 будут замкнуты, а ключ S 3 – разомкнут. Таким образом, в выходном узле будут суммироваться токи равные I , 2I и 8I . В сумме они сформируют выходной ток I ВЫХ = 11I , т. е. величина выходного тока I N ВХ = 11.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений в соответствии со значениями разрядов входного кода N ВХ выходной сигнал ЦАП формируется из значений генераторов напряжения и представляется напряжением. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. 3.3. Значения генераторов напряжений задаются в соответствии с двоичным законом распределения – пропорционально весам разрядов двоичного кода (Е , 2Е , 4Е и 8Е ). Если i -й разряд входного кода N ВХ равен единице, то соответствующий ему ключ должен быть разомкнут, при этом генератор напряжения, у которого величина напряжения пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного напряжения U ВЫХ преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного напряжения U ВЫХ ЦАП пропорциональна величине входного кода N ВХ.

Р и с. 3.3. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений

Например, если значение входного кода N ВХ равно одиннадцати, т. е. в двоичной форме он представляется как (1011), то управляемые соответствующими разрядами ключи S 1, S 2 и S 4 в схеме на рис. 3.3 будут разомкнуты, а ключ S 3 – замкнут. Таким образом, в выходной цепи будут суммироваться напряжения равные Е, 2Е и 8Е . В сумме они сформируют выходное напряжение U ВЫХ = 11I , т. е. величина выходного напряжения U ВЫХ будет пропорциональна значению входного кода N ВХ = 11.

В последнем случае ЦАП реализуется как управляемый кодом делитель напряжения (рис. 3.4).

Р и с. 3.4. Построение ЦАП на основе кодоуправляемого делителя напряжения

Кодоуправляемый делитель состоит из двух плеч. Если разрядность реализуемого ЦАП равна n , то количество резисторов в каждом плече равно 2n . Сопротивление каждого плеча делителя меняется с помощью ключей S . Ключи управляются выходным унитарным кодом дешифратора Dc , причем ключи одного плеча управляются им напрямую, другие – через инверторы. Выходной код дешифратора содержит количество единиц, равное значению входного кода N ВХ. При этом не сложно понять, что коэффициент деления делителя всегда будет пропорционален величине входного кода N ВХ.

Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации. Для структуры ЦАП со взвешенным суммированием напряжений невозможно реализовать генераторы напряжений, которые бы допускали режим короткого замыкания на выходе, а также ключи, не имеющие остаточных напряжений в замкнутом состоянии. В структуре ЦАП на основе кодоуправляемого делителя каждое из двух плеч делителя состоит из очень большого числа резисторов (2n ), включает в себя такое же число ключей для управления ими и объемный дешифратор. Поэтому при таком подходе реализация ЦАП получается очень громоздкой. Таким образом, основной структурой, применяемой на практике, является структура ЦАП со взвешенным суммированием токов.

3.2 ЦАП со взвешенным суммированием токов

Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов. В простейшем случае такой ЦАП состоит из резистивной матрицы и набора ключей (рис. 3.5).

Р и с. 3.5. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы

Число ключей и число резисторов в матрице равно количеству разрядов n входного кода N ВХ. Номиналы резисторов выбираются пропорциональными весам двоичного кода, т. е. пропорциональными значениям ряда 2i, i = 1… n . При присоединении к общему узлу матрицы источника напряжения и замыкании ключей через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам благодаря соответствующему выбору их номиналов будут распределены по двоичному закону, т. е. пропорциональны весам разрядов двоичного кода. При подаче входного кода N ВХ включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в токовом узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N ВХ.

В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.

Р и с. 3.6. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы и с перекидными ключами

Общим недостатком обоих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную погрешность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. Т. е. относительная точность подгонки больших по величине резисторов должна быть очень высокая. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более десяти это обеспечить достаточно трудно.

От всех этих недостатков свободны структуры на основе резистивных R- 2R матриц (рис. 3.7).

Р и с. 3.7. Реализации ЦАП на основе R -2R резистивной матрицы

и с перекидными ключами

Можно убедиться, что при таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза, т. е. их значения распределены по двоичному закону. Наличие в матрице только двух номиналов резисторов, отличающихся в два раза, позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений, без предъявления высоких требований по относительной точности подгонки.

3.3 Параметры и погрешности ЦАП

Система электрических характеристик ЦАП, отражающая особенности их построения и функционирования, объединяет не один десяток параметров. Ниже приведены основные из них, рекомендованные для включения в нормативно-техническую документацию как наиболее часто встречающиеся и наиболее полно описывающие работу преобразователя в статическом и динамическом режимах.

1. Число разрядов – количество разрядов входного кода.

2. Коэффициент преобразования – отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной функции преобразования.

3. Время установления выходного напряжения или тока – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно войдут в зону шириной равную весу младшего значащего разряда (МЗР), симметрично расположенную относительно установившегося значения. На рис. 3.8 представлена переходная функция ЦАП, показывающая изменение выходного сигнала ЦАП во времени при смене кода. Кроме времени установления она характеризует и некоторые другие динамические параметры ЦАП – величину выброса выходного сигнала, степень демпфирования, круговую частоту процесса установления и т. д. При определении характеристик конкретного ЦАП данная характеристика снимается при смене кода с нулевого значения на код, равный половине его максимального значения.

4. Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам.

Существуют и другие параметры, характеризующие исполнение ЦАП и особенности его функционирования. В их числе: входное напряжение низкого и высокого уровня, ток утечки на выходе, ток потребления, диапазон выходного напряжения или тока, коэффициент влияния нестабильности источников питания и прочие.

Важнейшими параметрами для ЦАП являются те, которые определяют его точностные характеристики, которые определяются нормированными по величине погрешностями.

Р и с. 3.8. Определение времени установления выходного сигнала ЦАП

Прежде всего, необходимо четко различать статические и динамические погрешности ЦАП. Статическими погрешностями называются погрешности, остающиеся после завершения всех переходных процессов, связанных со сменой входного кода. Динамические погрешности определяются переходными процессами на выходе ЦАП или его составных узлов, возникшими вследствие смены входного кода.

Основные типы статических погрешностей ЦАП определяются следующим образом.

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке шкалы функции преобразования. Для ЦАП, работающих с внешним источником опорного напряжения, определяется без учета вносимой этим источником погрешности. Измеряется в единицах младшего разряда преобразования.

Напряжение смещения нуля на выходе – напряжение на выходе ЦАП при нулевом входном коде. Измеряется в единицах младшего разряда. Определяет параллельный сдвиг действительной функции преобразования и не вносит нелинейности. Это аддитивная погрешность.

Погрешность коэффициента преобразования (масштабная) – мультипликативная погрешность, связанная с отклонением наклона функции преобразования от требуемого.

Нелинейность ЦАП – отклонение действительной функции преобразования от оговоренной прямой линии. Главным требованием к ЦАП с этой точки зрения является обязательность монотонности характеристики, определяющая однозначность соответствия выходного и входного сигнала преобразователя. Формально требование монотонности заключается в постоянстве на всем рабочем участке характеристики знака производной.

Погрешности нелинейности в общем случае разделяют на два типа – интегральные и дифференциальные .

Погрешность интегральной нелинейности – максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной. Фактически при этом рассматривается усредненная функция преобразования. Определяют эту погрешность в процентах от конечного диапазона выходной величины. Интегральная нелинейность возникает из-за различных нелинейных эффектов, которые отражаются на работе преобразователя в целом. Они наиболее ярко проявляются при интегральном исполнении преобразователей. Например, она может быт связана с различным при разных входных кодах уровнем разогрева в БИС каких-то нелинейных сопротивлений.

Погрешность дифференциальной нелинейности – отклонение реальной характеристики от идеальной для смежных значений кода. Эти погрешности отражают немонотонные отклонениями реальной характеристики от идеальной. Для характеристики всей функции преобразования выбирается максимальная по модулю локальная дифференциальная нелинейность. Пределы допустимых значений дифференциальной нелинейности выражаются в единицах веса младшего разряда.

Рассмотрим причины появления дифференциальных погрешностей и то, как они отражаются на функции преобразования ЦАП. Представим, что все веса разрядов в ЦАП заданы идеально точно, кроме веса старшего разряда.

Если рассмотреть последовательность всех кодовых комбинаций для двоичного кода некоторой разрядности, то закономерности формирования двоичного кода определяют кроме всего прочего и то, что в кодовых комбинациях, соответствующих значениям от нуля до половины полной шкалы (от нуля до половины максимального значения кода), старший разряд всегда равен нулю, а в кодовых комбинациях, соответствующих значениям от половины шкалы до полного ее значения, старший разряд всегда равен единице. Поэтому при подаче на ЦАП кодов, соответствующих первой половине шкалы значений входного кода, вес старшего разряда не участвует в формировании выходного сигнала, а при подаче кодов соответствующих второй половине – участвует постоянно. Но если вес этого разряда задан с погрешностью, то эта погрешность будет отражаться и на формировании выходного сигнала. Тогда это отразится на функции преобразования ЦАП, так как показано на рис. 3.9.а .

Р и с. 3.9. Влияние на функцию преобразования ЦАП погрешности задания

веса старшего разряда.

Из рис. 3.9.а . видно, что для первой половины значений входного кода реальная функция преобразования ЦАП соответствует идеальной, а для второй половины значений входного кода реальная функция преобразования отличается от идеальной на величину погрешности задания веса старшего разряда. Минимизации влияния этой погрешности на функцию преобразования ЦАП можно добиться, выбрав такой масштабный коэффициент преобразования, который позволит свести погрешность в конечной точке шкалы преобразования к нулю (рис. 3.9.б ). При этом видно, что дифференциальные погрешности распределяются симметрично относительно середины шкалы. Это определило еще одно их название – погрешности симметричного типа. Одновременно видно, что наличие такой погрешности определяет немонотонное поведение функции преобразования ЦАП.

На рис. 3.10.а . показано, как будет отличаться реальная функция преобразования ЦАП от идеальной при условии отсутствия погрешностей задания весов всех разрядов, кроме разряда, предшествующего старшему. Рис. 3.10.б . показывает, поведение функции преобразования, если выбрать (свести к нулю) масштабную составляющую общей погрешности.

Метрология" href="/text/category/metrologiya/" rel="bookmark">метрологических показателей рационально добиваться комплексно, используя технологические приемы с различными структурными методами. А при использовании готовых интегральных преобразователей структурные методы это единственный путь дальнейшего повышения метрологических характеристик системы преобразования.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Аналого – цифровые преобразователи (АЦП) это устройства, принимающие аналоговые сигналы и вырабатывающие на выходе цифровые сигналы, пригодные для работы ЭВМ и других цифровых устройств. Характеристика преобразования отражает зависимость выходного цифрового кода от входного постоянного напряжения. Характеристика преобразования может быть задана графически, таблично или аналитически.

СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Напряжение межкодового перехода – точка, в которой равновероятны обе из соседних кодовых комбинаций.

Шаг квантования – разность соседних значений напряжений межкодового перехода.

Напряжение смещения нуля – параллельный сдвиг характеристики преобразования относительно оси абсцисс.

Отклонение коэффициента преобразования – погрешность в конце характеристики преобразования.

Нелинейность АЦП – Отклонение действительного значения входного напряжения в данной точке от действительного значения, определяемого по линеаризованной характеристике преобразования в той же точке. Выражается в числе шагов квантования или по отношению к максимальному входному напряжению в процентах.

Дифференциальная нелинейность – отклонение действительных шагов квантования от их среднего значения.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП.

1. Частота дискретизации – частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, измеряется числом выборок в секунду, или в герцах.

2. Время преобразования – время от импульса запуска АЦП или от времени изменения аналогового входного сигнала до появления устойчивого кода на выходе. Для одних АЦП эта величина зависит от входного сигнала, для других является постоянной. При работе без УВХ эта величина является апертурным временем.

3. Частотная погрешность коэффициента передачи - погрешность образования выборочных значений при работе с изменяющимися сигналами. Определяется для синусоидального входного сигнала. (Для АЦП К1107 ПВ2 8 разр., 80 МГц: П = 7 МГц по уровню 0.99).

4. Апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Состоит из апертурного сдвига и апертурной неопределенности.

В зависимости от того, как развертывается процесс преобразования во времени, АЦП делятся на:

1. Последовательные

2. Параллельные

3. Последовательно – параллельные.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ АЦП

АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.

На вход преобразователя поступает положительное напряжение. Счетчик предварительно установлен в нуль, поэтому на выходе ЦАП напряжение тоже равно 0. При этом на выходе компаратора установлена лог.1. На вход схемы 3И-НЕ поступают импульсы от генератора тактовых импульсов. Однако, так как в триггер R-S записан лог.0, то импульсы на вход счетчика не проходят.

После импульса запуска R-S триггер переходит в состояние с лог.1 на выходе и на вход счетчика начинают поступать тактовые импульсы. Число, записанное в счетчик начинает увеличиваться и соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. В некоторый момент оно сравнивается с входным напряжение на входе преобразователя, компаратор переключается в лог.0. и импульсы перестают поступать на вход счетчика. Этот сигнал от компаратора поступает также на вход RS триггера, переключая его в состояние лог.0 на выходе, что окончательно останавливает процесс преобразования. Полученный код на выходе соответствует напряжению на выходе ЦАП младшего разряда, или входному аналоговому сигналу с точностью до единицы. Далее процесс может быть повторен.

Минимальный период тактовых импульсов можно найти из условия:

Тмин ≥ tкомп. + tцифр. + tцап + tRC, где:

tкомп – задержка срабатывания компаратора,

tцифр. – задержка счетчика,

tцап – время установления ЦАП,

t RC – задержка RC – цепочки.

Пример. Рассчитаем время преобразования АЦП с числом разрядов 10.

Используемые элементы:

ЦАП – К572 ПА1: число разрядов N = 10, время установления выходного напряжения tцап = 5 ∙ 10 -6 сек. При Vоп = 10В шаг квантования

ЕМР = 10/(2 10 –1) = 10 мВ.

КОМПАРАТОР – 521 СА3 - при dV = 3 мВ tкомп = 100 нсек.

Постоянную времени RC выберем равной 0.5 ∙ 10 -6 сек.

tцифр = 0.05 ∙ 10 -6 сек,

Тмин ≥ 0.1 + 0.05 + 5. 0 + 0.5 = 5.65 мксек.

Время измерения максимального входного сигнала:

(2 10 – 1) ∙ 5,65 ∙ 10 – 6 сек = 6мсек, частота дискретизации равна 160 Гц.

Апертурное время – 6 мсек.

АЦП этого типа применяются с УВХ, или для преобразования медленно меняющихся сигналов. Погрешность АЦП определяется точностными параметрами применяемого ЦАП.

Разновидность АЦП этого типа – следящие АЦП производят преобразование непрерывно. Они используют реверсивный счетчик, а компаратор определяет направление счета. При Vвх < Vцап счетчик считает вверх, в при Vвх > Vцап счетчик считает вниз. Таким образом напряжение Vцап постоянно стремится быть равным Vвх. Максимальная скорость отслеживания входного сигнала равна: dVвх./dt < ЕМР/ Тмин.

АЦП последовательных приближений.

Процедура определения выходного кода определяется регистром последовательных приближений. В начале в регистр во все разряды записаны лог.0. Напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю. Далее в старший разряд регистра записывается лог.1. Если выходное напряжение ЦАП при этом все еще меньше входного напряжения (на выходе компаратора установлена лог.1, то далее значение лог. уровня в этом разряде сохраняется. Если же напряжение на выходе ЦАП больше Vвх., то данный разряд обнуляется и далее записывается лог.1 в следующий разряд. Таким образом определяются значения всех разрядов, включая младший. После этого выдается сигнал готовности и цикл измерения может быть повторен.

Данный тип ЦАП имеет преимущество в быстродействии по сравнению с предыдущим ЦАП, поэтому он используется наиболее широко. Время преобразования у него равно Тмин ∙ N.

Тмин – минимальное значение периода повторения тактовых импульсов определяется аналогично предыдущему ЦАП, N – число разрядов.

Пример: у интегрального АЦП 1108 ПВ2 на кристалле расположены все элементы: ЦАП, источник опорного напряжения, регистр последовательного приближения, генератор тактовых импульсов, компаратор. N = 12, минимальное время преобразования - 2 мксек.

ЦАП с время – импульсным преобразованием (способ линейного кодирования).

В АЦП этого типа используется преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал, которых заполняется импульсами эталонной частоты. Этот временной интервал формируется генератором пилообразного напряжения (ГПН) и компаратором. Число импульсов считается счетчиком который и определяет выходной код АЦП.

Быстродействие такой схемы выше, чем у ЦАП со ступенчатым пилообразным напряжением, так как у него нет ЦАП и определяется быстродействием компаратора, счетчика. Время выключения компаратора выбирается при условии того перевозбуждения, которое обеспечивает необходимую погрешность сравнения входного сигнала и пилообразного напряжения.

Для уменьшения погрешностей генератор эталонной частоты и ГПН должны быть взаимно стабильными.

Описан АЦП: N = 10, f этал = 100 МГц, t преобр. = 10 мксек.

АЦП с двухтактным интегрированием.

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность. Повышение числа разрядов связано с использованием ЦАП повышенной точности, что удорожает производство таких АЦП.

Принцип двойного интегрирования в АЦП позволяет в значительной степени освободиться от этих недостатков. Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора интегрируется входное напряжение за фиксированный интервал времени Т0. Этот интервал времени формируется счетчиком, на вход которого поступают импульсы от генератора с частотой fсч.

Интервал Т0 равен:

Т0 = Nmax ∙ tсч

Здесь tсч = 1/fсч - период частоты тактового генератора, Nmax - максимальная емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП.

Заряд на конденсаторе С после этого будет равен:

Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Vопорн. Полярность опорного напряжения противоположна полярности входного сигнала, поэтому напряжение на конденсаторе С начинает уменьшаться. Счетчик в это время считает импульсы генератора тактовой частоты fсч, начиная от нулевого состояния. В момент времени, когда компаратор проходит через нуль, счет прекращается и число записывается в выходной регистр. Заряд q2, разрядивший конденсатор равен.