
	Главная Схемы Документация Студентам Программы Поиск Top50

Поиск по сайту

Навигация

Главная

Схемы

Документация

Файлы

Информация

http://pharmex-market.ru пантерные мухоморы цена за кг купить мухоморы.

Студентам

Студентам > Рефераты > Измерение параметров АЦП

Измерение параметров АЦП

Страница: 2/3

Преобразователь считается линейным, если его максимальная погрешность линейности δn не превышает 1/2 значения младшего разряда Δ. Оценку линейности АЦП проводят так же, как и для ЦАП.

Таким образом, нелинейность характеризует как ЦАП, так и АЦП и наряду с дифференциальной нелинейностью имеет первостепенное значение для оценки качества преобразователей, поскольку все другие погрешности (смещение нуля, погрешность полной шкалы и т. д.) могут быть сведены к нулю соответствующими регулировками.

Коэффициент преобразования Кпр определяет наклон характеристики преобразователя. Как отмечалось, для идеального ЦАП наклон характеристики должен быть таким, чтобы при включении всех разрядов (двоичный код полной шкалы No на его цифровых входах равен 111...1) выходное напряжение полной шкалы Uп.ш ЦАП было меньше опорного напряжения Uоп на значение младшего разряда Δ, что соответствует прямой 1 на рис. 3 [соотношение (2)]. Для ЦАП с токовым выходом наклон характеристики определяется номиналом резистора обратной связи Roc (Рис. 4), который находится в составе преобразователя и предназначен для включения в цепь обратной связи усилителя-преобразователя тока в напряжение. При номинальном значении Rос напряжение Un.ш отличается от Uon на значение младшего разряда Δ. Если номинал Roc больше, то коэффициент преобразования возрастает (прямая 3 на рис. 3), если меньше,—то уменьшается (прямая 2 на рис 3). Это объясняется тем, что абсолютные значения младшего разряда Δ2 и Δ3 для характеристик 2 и 3 рис. 3 отличаются от расчетного номинального значения Δ1, определяемого соотношением (3). При этом фактические значения младших разрядов преобразования определяются соотношением

Δф=Uп.ш.ф./(2m-1)

где Uп.ш.ф.—фактическое значение полной шкалы преобразователя.

Погрешность полной шкалы δп.ш отражает степень отклонения реального коэффициента преобразования от расчетного, т. е. под δп.ш понимают разность между номинальным значением полной шкалы преобразователя Uп.ш.н, определяемым соотношением (2), и его фактическим значением Uп.ш.ф. Таким образом, для ЦАП

де Δн и Δф — номинальное и фактическое значения единицы младшего разряда преобразователя.

Относительная погрешность полной шкалы определяется выражением

и, следовательно, не зависит от коэффициента преобразования ЦАП.

Погрешность полной шкалы АЦП характеризуется отклонением действительного входного напряжения от его расчетного значения для полной шкалы выходного кода. Она может быть обусловлена погрешностями опорного напряжения Uoп, многозвенного резистивного делителя, коэффициента усиления усилителя и т. д. Погрешность шкалы может быть скорректирована с помощью регулирования коэффициента усиления выходного усилителя или опорного напряжения.

Смещение нуля (погрешность нуля) равно выходному напряжению ЦАП при нулевом входном коде или среднему значению входного напряжения АЦП, необходимому для получения нулевого кода на его выходе. Смещение нуля вызвано током утечки через разрядные ключи ЦАП,

напряжением смещения выходного усилителя либо компаратора. Данную погрешность можно скомпенсировать с помощью внешней по отношению к ЦАП или АЦП регулировки нулевого смещения. Погрешность нуля δ0 может быть выражена в процентах от полной шкалы или в долях младшего разряда. Следует отметить, что погрешность полной шкалы определяют с учетом смещения нуля характеристики преобразователя, в то время как при определении погрешности линейности линеаризующая прямая должна проходить через начало реальной функции преобразования fр(х), т. е. смещение нуля δ0 необходимо корректировать, чтобы не внести погрешность в измерение линейности, поскольку она суммируется всякий раз при считывании выходного сигнала. Действительно, для ЦАП справедливо неравенство

Uвых(B1+B2+…+Bm)+δ0≠UвыхB1+ UвыхB2+…+ UвыхBm+mδ0

в левой части которого погрешность нуля 6о суммируется один раз (все разряды включены), а в правой—т раз (m отдельных считываний выходного сигнала ЦАП). При этом погрешность измерения нелинейности будет меньше, если смещение нуля 6о запоминается и вычитается из напряжения каждого последующего считываемого разряда до того, как будет произведено определение нелинейности.

Абсолютная погрешность преобразования отражает отклонение фактического выходного сигнала преобразователя от теоретического, вычисленного для идеального преобразователя. Этот параметр указывается обычно в процентах к полной шкале преобразования и учитывает все составляющие погрешности преобразования (нелинейность, смещение нуля, коэффициент преобразования). Поскольку абсолютное значение выходного сигнала преобразователя определяется опорным напряжением Uoп [см. соотношения (3), (4)], то абсолютная погрешность преобразования находится в прямой зависимости от стабильности напряжения Uоп. В большинстве преобразователей используется принцип двойного кодирования. Поэтому для получения кратного значения младшего разряда обычно выбирают Uon= 10,24 В. В этом случае для 12-разрядных ЦАП расчетное номинальное значение младшего разряда Δ=2,5 мВ и напряжение полной шкалы Uп.ш.н= 2,5 (212—1) мВ= 10237,5 мВ.

Изменение напряжения Uon, например, на 1% вызовет изменение абсолютной погрешности преобразования также на 1%, что составит в верхней точке диапазона 102,375 мВ.

Дифференциальная нелинейность δн.д определяется отклонением приращения выходного сигнала преобразователя от номинального значения младшего разряда при последовательном изменении кодового входного сигнала на единицу. Дифференциальная нелинейность идеального преобразователя равна нулю. Это означает, что при изменении входного кода преобразователя на единицу его выходной сигнал изменяется на значение младшего разряда. Допустимым значением дифференциальной нелинейности считается (1/2)[ПВ1] Δ(1/2 значения младшего разряда).

Дифференциальная нелинейность может быть вычислена таким образом. Для конкретного m-разрядного преобразователя расчетное значение единицы младшего разряда Δр=[Uп.ш/(2m—l).

обеспечивающее контроль схем различного назначения, обычно сложное и дорогостоящее. Установки специального назначения, контролирующие схемы, как правило, одного типа, выполняют контроль быстрее, и с ними могут работать люди, не обладающие большим опытом и мастерством.

В преобразователях с высокой разрешающей способностью необходимо проконтролировать большое количество параметров для получения информации о работе преобразователя. Например, 12-разрядный ЦАП или АЦП имеет 212, или 4096, возможных комбинаций вход— выход. Безусловно, без применения автоматизированной высокопроизводительной установки решить проблему контроля подобных преобразователей невозможно.

При контроле ИМС АЦП, особенно многоразрядных, необходимо соблюдать меры предосторожности при подключении контролируемого преобразователя к установке контроля. Линии связи должны быть такой длины и такого сопротивления, чтобы падение напряжения на них не вызвало значительного увеличения погрешности измерения параметров ИМС АЦП.

Если проверяют ЦАП с токовым выходом, то к его выходу подключают операционный усилитель, обеспечивающий преобразование выходного тока ЦАП в напряжение. При этом резистор обратной связи, входящий в состав ЦАП, подключают без подстроечных потенциометров, чтобы можно было измерить погрешность смещения нуля и полной шкалы.

Далее перед измерением параметров ЦАП нужно определенное время для его прогрева, чтобы обеспечить установившийся тепловой режим контроля. Это относится в первую очередь к контролю нелинейности ЦАП, поскольку требуется большое количество измерений, за время которых из-за нагрева ЦАП его параметры могут существенно измениться. Например, у ЦАП с рассеиваемой мощностью порядка 500 мВт время прогрева в зависимости от типа корпуса колеблется от 5 до 15 мин.

С целью уменьшения времени контроля желательно проводить контроль параметров ЦАП не во всех точках его выходной характеристики. Минимальный объем получаем при контроле значений всех разрядов, включаемых по одному. Однако такой контроль допустим только в случае малого взаимного влияния разрядов, когда все разряды или комбинации разрядов, которые включаются, полностью независимы от включенного (выключенного) состояния других разрядов. В противном случае для получения достоверного результата следует производить контроль по всем дискретным значениям выходного сигнала, т. е. в 2mочках характеристики.

Далее будут рассмотрены методы контроля статических и динамических параметров ИМС АЦП, которые могут быть использованы в автоматизированных системах контроля, предназначенных как для обеспечения серийного производства ИМС АЦП, так и для их входного контроля.

Рис. 4. Характеристика АЦП при наличии шума Рис. 5. Характеристика идеального четырехразрядного АЦП

3. Контроль статических параметров ИМС АЦПИз-за неопределенности квантования при аналого-цифровом преобразовании, равной 1/2 значения младшего разряда Δ, контроль АЦП представляет большие трудности по сравнению с контролем ЦАП, поскольку приходится не просто измерять выходной сигнал для заранее определённого кода (в случае ЦАП), но также определять как выходной код, так и точку (момент) изменения выходного кода при непрерывном изменении входного напряжения. Шумы (в преобразуемом сигнале или в преобразователе) вносят неопределенность в точное задание аналоговых входных величин, при которых происходят кодовые преобразования выходных сигналов, а также увеличивают диапазон квантования. Характер погрешности, обусловленной влиянием шума, показан на рис. 4.

При отсутствии шума и погрешности линейности АЦП изменение выходного кода происходит при номинальных значениях входного напряжения. При отсутствии шума и наличии допустимых погрешностей линейности АЦП выходной код изменяется при изменении входного напряжения относительно его номинального значения на (±1/2) Δ. Шумы вызывают увеличение неопределенности момента изменения выходного кода (шумы показаны на рис. 4 в виде тонких линий).

Отметим, что точность АЦП не может быть лучше его разрешающей способности. В ЦАП, напротив, технические требования по точности превосходят требования по разрешающей способности. Такое различие объясняется противоположным характером этих преобразователей:

выход ЦАП может с высокой точностью воспроизводить уровень, являющийся мерой точного числа, между тем как выходной уровень АЦП определяется любой входной величиной в пределах кванта.

Наибольшим числом контролируемых параметров обладают АЦП последовательного приближения, в котором применяются ЦАП и компаратор в цепи обратной связи. Эти преобразователи, так же как и ЦАП, характеризуются дифференциальной нелинейностью и немонотонностью в отличие от интегрирующих АЦП, у которых может наблюдаться только нелинейность. На рис. 5 показана выходная характеристика идеального четырехразрядного АЦП, каждая ступенька которой постоянна по ширине и равна Δ. Тем не менее даже для идеального АЦП (всех типов) существует неопределенность, равная (±1/2)А относительно входного напряжения, соответствующего какому-либо выходному коду АЦП. У реального АЦП (имеющего нелинейность) неопределенность возрастает до суммы погрешностей квантования и линейности. Если ЦАП, применяемый в АЦП последовательного приближения, нелинеен, то размер ступеньки отклонится от идеального значения и напряжения переходов сдвинутся от напряжении идеальных переходов. На рис. 10.30 приведена характеристика АЦП, внутренний ЦАП которого имеет погрешности разрядов: δ1=(l/2)A (при коде 1000), δ2=(—1/2)А (при коде 0100), δ3=0 (при коде 0010), δ4=0 (при коде 0001). Области рис. 10.30, отмеченные пунктирными кружками, свидетельствуют о том, что изменения в погрешности дифференциальной линейности (а следовательно, и в погрешности линейности) имеют место при переносах кода.Метод контроля параметров АЦП, который необходимо использовать в каждом конкретном случае, зависит от многих причин. Одна из них—время преобразования контролируемого АЦП. Для преобразователей со временем преобразования менее 100 мкс (преобразователи последовательного .приближения) могут быть использованы все методы контроля. Иначе обстоит дело при контроле «медленных» АЦП. Например, преобразователи интегрирующего типа, время преобразования которых составляет десятки и сотни миллисекунд, не могут быть исследованы динамическим методом, предусматривающим наблюдения погрешности с помощью осциллографа.Простейший метод контроля параметров АЦП заключается в применении образцового ЦАП для формирования входного аналоговового сигнала контролируемого АЦП и в последующем сравнении входного кода образцового ЦАП и выходного кода АЦП. Однако он не определяет точного значения входного сигнала в момент перехода кода в пределах А. Поэтому таким методом можно определить точность калибровки (погрешность шкалы), нелинейность, дифференциальную нелинейность АЦП с погрешностью контроля не менее Δ. Рассмотрим схемы нескольких устройств, позволяющих автоматизировать процесс контроля параметров АЦП, в которых используется многоразрядный образцовый ЦАП, предназначенный для формирования входного сигнала АЦП либо для восстановления аналогового сигнала из выходного кода АЦП. При этом линейность ЦАП должна быть на порядок выше линейности проверяемого АЦП.

На рис. 6 представлена схема одного из таких устройств. С генератора Г напряжение синусоидальной формы Uвх поступает на вход контролируемого АЦП и

Рис. 6. Схема устройства автоматического контроля параметров АЦП

на один из входов дифференциального усилителя У. Результат преобразования в виде кода Ni с частотой запуска АЦП заносится в регистр. Затем код Ni преобразуется с помощью образцового ЦАП (разрядность которого должна быть, по крайней мере, на четыре единицы больше разрядности контролируемого АЦП) в аналоговый сигнал Uвыx, подаваемый на другой вход усилителя. Разностный сигнал усилителя ΔU=k(Uвх — Uвыч) характеризуется суммой погрешности квантования (±1/2)А и погрешности линейности АЦП. Следует учитывать, что любой сдвиг по фазе между входным сигналом АЦП и задержанным выходным сигналом ЦАП дает дополнительную погрешность. Поэтому для минимизации этой дополнительной погрешности частота входного сигнала должна быть достаточно низкой и определять ее необходимо исходя из быстродействия контролируемого АЦП и образцового ЦАП.

На рис. 7 приведена схема еще одного устройства автоматического контроля АЦП, где образцовый ЦАП используется в качестве формирователя входного воздействия на контролируемый преобразователь. Формирователь кодов ФК обеспечивает формирование на цифровых входах образцового ЦАП любой требуемой кодовой комбинации. Выходное напряжение ЦАП подается на вход контролируемого АЦП. Цифровой код Ni с АЦП передается в запоминающий регистр ЗРг после каждого преобразования. Цифровое слово Ni’, присутствующее на входе образцового ЦАП, вычитается в устройстве ВУ из кода Ni и цифровая ошибка ΔN=Ni—Ni’ подается на ЦАП с низкой разрешающей способностью, на выходе которого

Рис. 7. Схема устройства контроля АЦП с разбраковкой результата контроля

она представляется в аналоговой форме. Кроме того, цифровая ошибка ΔN может быть подана на цифровой компаратор ЦК, в который занесены верхний и нижний пределы ее допустимых значений, что позволяет произвести проверку АЦП по принципу «годен—не годен», т. е. разбраковку контролируемых преобразователей. Разрешающая способность образцового ЦАП в данной схеме, как и в предыдущей, должна быть на порядок выше, чем в контролируемом АЦП, чтобы уровень квантования аналогового сигнала на входе АЦП не ограничивал разрешающую способность считывания ошибки.

Как указывалось, сложность контроля параметров АЦП заключается в том, что каждому его выходному числовому коду соответствует определенная непрерывная аналоговая входная величина (ширина ступеньки на рис. 5, 10.30), крайние значения которой формируют соответствующие смежные числовые переходы. Поэтому для более качественного контроля характеристик АЦП требуется определение значения каждого из переходных уровней входного напряжения, что не обеспечивается предыдущей схемой.

На рис. 8 изображена схема устройства, осуществляющего контроль выходной характеристики АЦП с автоматическим поиском переходных уровней. Это достигается включением контролируемого АЦП в цепь обратной связи, регулирующей его входное напряжение. Цифровой код Ni определяемого перехода с формирователя кодов ФК поступает на цифровой компаратор ЦК и на образ

Рис. 8. Схема устройства контроля АЦП с автоматическим поиском переходных уровней

цовый ЦАП. На другой вход компаратора подается выходной цифровой сигнал контролируемого АЦП. Цифровой компаратор вырабатывает сигнал, управляющий ключом К, через который на вход интегратора И поступает напряжение Но определенной полярности, формируемое программируемым источником напряжения ПИН и инвертором Ин. Система сфазирована таким образом, что изменяющееся выходное напряжение интегратора приближает выходной код АЦП к записанному в компаратор коду Ni. В момент достижения равенства кодов направление изменения выходного напряжения интегратора изменяется на противоположное вследствие переключения ключа К. В дальнейшем процесс продолжается при периодическом пилообразном колебании выходного напряжения интегратора вблизи уровня перехода. Точность, с которой производится поиск уровня перехода, определяется постоянной времени Т интегратора, его входным интегрируемым напряжением Uo и быстродействием контролируемого АЦП. Действительно, приращение ΔUи выходного напряжения интегратора за время интегрирования tи определяется соотношением

ΔUи=U0tи/T

Длительность интегрирования зависит от начальной разности кодов, поступающих на цифровой компаратор:

при большой разности длительность больше. Минимальное значение tn будет при периодическом колебании выходного напряжения интегратора относительно уровня перехода. При этом tи определяется периодичностью отсчетов АЦП, т. е. его быстродействием, и в предельном случае не превышает периода запуска АЦП Тзап. Для обеспечения требуемой точности контроля значение ΔUи не должно превышать нескольких процентов от значения младшего разряда Л контролируемого АЦП. При известных параметрах контролируемого АЦП (Δ и Тзап) и постоянной времени Т интегратора входное интегрируемое напряжение Uo для допустимой относительной погрешности γ= ΔUи/Δ поиска уровня перехода определяется неравенством

и для каждого конкретного типа АЦП формируется программируемым источником напряжения ПИН. Для уменьшения времени поиска уровня перехода при больших начальных рассогласованиях входных кодов компаратора начальное значение Uo устанавливается значительно большим требуемого до момента наступления равенства кодов, после чего U0 автоматически приводится к заданному значению. Найденное таким образом напряжение перехода Ui2 сравнивается затем дифференциальным усилителем У с напряжением Ui1, создаваемым образцовым ЦАП. Разностное выходное напряжение усилителя и будет характеризовать погрешность контролируемого АЦП в заданной точке характеристики.

Рассмотренные методы контроля АЦП с использованием образцового ЦАП нашли широкое применение при создании автоматизированного контрольно-измерительного оборудования.

4. Контроль динамических параметров ИМС АЦП

Для преобразования быстроизменяющихся сигналов с широким частотным спектром, быстрого ввода информации в ЭВМ, в частности аналоговых сигналов с первичных преобразователей при работе в многоканальных информационных системах, требуются АЦП, имеющие хорошую линейность и малое время преобразования. Последнее определяют как интервал времени, в течение которого выходной сигнал АЦП при подаче ступенчатого входного сигнала достигает значения, отличающегося от установившегося не более чем на допустимую погрешность. Следует иметь в виду, что при определении времени преобразования необходимо учитывать статическую погрешность преобразования, чтобы последняя не входила составной частью в результирующую погрешность определения времени преобразования. Поэтому под установившимся значением выходного сигнала АЦП понимают результат преобразования в статическом режиме, когда процесс преобразования заведомо завершился.

Рис 9 Схема Устройства измерения времени преобразования АЦП с внещним запуском.

В отличие от ЦАП, для которых динамическая и статическая погрешности преобразования могут быть определены как составная часть его разрешающей способности, в контролируемом АЦП погрешность преобразования, как бы мала она ни была, лимитируется погрешностью его дискретности. Помимо определения времени преобразования в ряде случаев требуется контроль дополнительных динамических характеристик: времени переходного процесса во входных цепях АЦП tвх и времени цикла преобразования tц, необходимого для отработки всех разрядов АЦП и получения на выходе соответствующего кода. Эти характеристики связаны соотношением tпр=tвх+tц, поэтому достаточно проконтролировать tгр и одну из оставшихся величин. Контроль времени tвх целесообразен, когда оно соизмеримо со временем кодирования, поскольку значение tax можно использовать в дальнейшем для определения соответствующей составляющей результирующей погрешности в динамическом режиме. Если время преобразования не зависит от значения входного сигнала, то целесообразно контролировать одно значение tпр в точке, расположенной в верхней половине диапазона измерений.


¹	²	³