Вы здесь

Високоточні порозрядні АЦП, що самокалібруються, з ваговою надлишковістю для систем цифрової реєстрації і оброблення аналогових сигналів

Автор: 
Архипчук Олександр Анатолійович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2004
Артикул:
3404U003608
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
МЕТОДИ САМОКАЛІБРУВАННЯ ПОРОЗРЯДНИХ АЦП З ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ, ПОБУДОВАНИХ НА НЕТОЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ
У будь якому АЦП є похибка яка обумовлена наявністю відхилень реальних значень параметрів елементів від номінальних значень. Ці відхилення називають первинними інструментальними похибками елементів. Факторами, що викликають появу цих похибок є [28]:
розкид параметрів елементів (резисторів, конденсаторів, транзисторів та ін.), що обумовлений характером технологічних процесів, якістю обладнання та ін.,
вплив змін навколишнього середовища на елементи перетворювача (зміна температури, тиску, вологості та ін.),
зміна параметрів елементів з плином часу (старіння),
вплив внутрішніх та зовнішніх шумів та завад на окремі елементи.
Технологічні шляхи (лазерне припасування, штучне старіння, температурна стабілізація та ін.) зменшення впливу цих факторів є досить дороговартісними, і на додачу деякі з них призводять до зменшення надійності пристрою в цілому. Більше того, навіть після такої підгонки, параметри АЦП залишаються нестабільними. Водночас, самокалібрування дозволяє, незалежно від умов навколишнього середовища та інших факторів, визначити дійсні значення ваг розрядів АЦП із заданою точністю.
Визначення дійсних значень ваг розрядів із ваговою надлишковістю базується на використанні математичних співвідношень між вагами розрядів НПСЧ, і не вимагає використання взірцевих мір та приладів. Функціонування АЦП при цьому передбачає два режими: самокалібрування та основного перетворення. В режимі самокалібрування відбувається визначення кодів (цифрових еквівалентів) реальних ваг розрядів перетворювача, зсуву нуля , а для вимірювальних АЦП - і масштабного коефіцієнта . Як взірець при цьому використовується рекурентні співвідношення, наприклад, , і тому подібне [22]. Невиконання цих співвідношень свідчить про наявність відхилень ваг розрядів від ідеальних значень. Причому застосування спеціальних процедур (самокалібрування) із урахуванням цих співвідношень дає можливість отримати інформацію про значення цих відхилень.
2.1 Визначення ваг розрядів АЦП, побудованих на основі ЦАП із безпосереднім та приведеним балансом первинних похибок
Структура порозрядного АЦП, що самокалібруюється, з ваговою надлишковістю повинна містити (рис. 2.1): для переключення між джерелами аналогових сигналів - аналоговий комутатор (АК); для процедури врівноваження вхідного аналогового сигналу використовується схема порівняння (СП), регістр послідовних наближень (РПН) та цифро-аналоговий перетворювач (-ЦАП), який працює в надлишковій позиційній системі числення (НПСЧ) (назвемо її робочою системою числення); цифровий обчислювальний пристрій (ЦОП) в якому, в залежності від способу самокалібрування повинні виконуватись операції додавання, віднімання, множення, ділення та операції з пам'яттю; для збереження цифрових еквівалентів дійсних ваг розрядів та проміжних результатів обчислень - блок пам'яті (БП); блок допоміжних сигналів (БДС) для створення нульового вхідного аналогового сигналу, під час визначення похибки зміщення нуля та, для вимірювальних АЦП, наближене до еталонного джерело напруги або струму, що використовується під час визначення масштабного коефіцієнту; в деяких випадках для фіксації рівня вхідного аналогового сигналу використовується пристрій вибірки та збереження (ПВЗ); для узгодження роботи вище згаданих блоків використовується блок керування (БК). Як бачимо, введення вагової надлишковості відбивається тільки на -ЦАП, решта блоків залишається стандартними, тому всі обчислення відбуваються у загально прийнятій двійковій системі числення.

Рис. 2.1. Структурна схема АЦП порозрядного врівноваження з ваговою надлишковістю.
Розглянемо деякі варіанти побудови ЦАП паралельної дії.
Класична схема побудови ЦАП з використанням резистивної матриці вагового типу показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2. ЦАП на основі резистивної матриці вагового типу.
Як було показано в [28] відносна похибка такого ЦАП визначається формулою

. (2.1)
З формули (2.1) робиться висновок, що значення залежить від похибок резисторів ЦАП, коефіцієнта навантаження та коду . Для режиму холостого ходу () незалежно від значень та знаків похибок резисторів кодам та відповідає нульова похибка . Нульова похибка також матиме місце якщо незалежно від значення керуючого коду ЦАП [28].
У схемах побудованих на резистивних матрицях драбинкового типу також зберігається вказана властивість.
У сучасних перетворювачах більшого розповсюдження набули ЦАП виготовленні на основі конденсаторних матриць. Варіант схеми такого ЦАП, побудованого на основі конденсаторного дільника вагового типу показано на рис. 2.3.
Рис. 2.3. ЦАП на основі конденсаторної матриці вагового типу.
Напруга на виході такого ЦАП визначатиметься формулою

де - ідеальне значення ємностей конденсаторів; - відносне відхилення номіналу -го конденсатора; - розрядні коефіцієнти керуючого коду {0,1} [153].
Похибка, пов'язана з відхиленням номіналів конденсаторів визначається за формулою

де [153].
Аналіз та показує, що вони містять тільки похибку нелінійності, оскільки у випадку, коли всі , тобто похибка нуля відсутня, а у випадку, коли всі , тобто похибка масштабу також відсутня [153].
Інший тип ЦАП - на основі генераторів струму (Рис. 2.4). В даному випадку вихідний сигнал задається як сума зважених струмів, відповідно до керуючого коду ЦАП.
Рис. 2.4. ЦАП на основі генераторів струму.
Вихідний струм визначається формулою
, (2.2)
де - відносна похибка -го джерела струму. Як видно з (2.2) максимальний вихідний струм такого перетворювача залежить від похибок джерел струму, що в свою чергу призводить до появи похибки масштабу.
Проаналізувавши специфіку побудови ЦАП паралельної дії пропонується умовно розділити на ЦАП з безпосереднім та приведеним балансом первинних похибок. До перших відносяться ЦАП побудовані на резистив