Порозрядні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 681.335 (088.8)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Порозрядні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі

05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Ільканич Катерина Іванівна

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Мичуда Зиновій Романович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Автоматика та телемеханіка”

Офіційні опоненти: логарифмічний перетворювач математичний

доктор технічних наук, профессор Готра Зеновій Юрійович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Електронні прилади”,

кандидат технічних наук, доцент Стрепко Ігор Теодорович доцент кафедри “Автоматизація та комп'ютерні технології”, Української академії друкарства, м. Львів

Провідна установа:Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури Державного департаменту з питань зв'язку інформатизації України (м.Львів).

Захист відбудеться “29” вересня 2006 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.Професорська, 1)

Автореферат розісланий “25” серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор Луцик Я.Т

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Величезне різноманіття відомих АЦП не вичерпує всіх можливостей покращення їх метрологічних і експлуатаційних характеристик. При цьому особливої уваги заслуговують логарифмічні АЦП (ЛАЦП), для яких характерний широкий динамічний діапазон вхідних сигналів, стале значення відносної похибки перетворення, забезпечення можливості роботи з логарифмічною арифметикою, яка дозволяє значно підвищити швидкодію систем реального часу, та інше. Окрім того, аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічним законом перетворення - це особливий клас перетворювачів інформації, який привертає увагу проектувальників кіл і систем, оскільки вони забезпечують тип перетворення, який потребують системи (сигнальні процесори, цифрові контролери та ін.), що використовують так звану логарифмічну арифметику.

На даний час більше уваги приділяється розвитку ЛАЦП, в яких вихідні дані є цифровим поданням логарифму вхідної аналогової величини за основою, яка, як правило, відмінна від 2, і шукається компроміс між значенням відносної похибки, шириною динамічного діапазону та кількістю біт вихідного цифрового слова. Таке подання значно полегшує подальшу обробку даних.

Проектувальники ЛАЦП дедалі більше звертаються до методів перетворення, які при задовільній точності і швидкодії зручно реалізувати в інтегральному виконанні.

Реальною проблемою при проектуванні ЛАЦП є усунення адитивної складової похибки вхідного сигналу. В лінійних АЦП ця проблема може бути вирішена порівняно просто, шляхом віднімання коректуючого коду від вихідного, тоді як в логарифмічних АЦП, усунення адитивної похибки слід проводити лише у вхідних колах перетворювача. Подібне можна сказати і про похибку від заокруглення.

Однак на сьогодні не проведено критичний аналіз методів і засобів порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення, не достатньо виявлено джерела похибок, встановлення їх впливу на процес перетворення, не в повній мірі розроблені математичні моделі обчислення похибок та методів їх компенсації та структурні і функціональні схеми ЛАЦП з покращеними метрологічними характеристиками.

У зв'язку з вищенаведеним, на даний час, є актуальним дослідження таких методів логарифмічного аналого-цифрового перетворення, які б забезпечували підвищення точності та високу технологічність. В роботі отримали подальший розвиток порозрядний і рекурентний методи логарифмічного аналого-цифрового перетворення на комутованих конденсаторах, оскільки вони при підвищенні точності та забезпеченні високої технологічності є перспективними для інтегрального виготовлення. У цьому плані дисертаційна робота є своєчасною і актуальність її підкреслює і те, що вона виконувалася у рамках держбюджетної тематики Національного університету “Львівська політехніка”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт за планом Міністерства освіти і науки України: "Методи аналізу, синтезу, математичного та фізичного моделювання перетворювачів інформації для вимірювальних приладів і систем" (2000-2001 р., № держ. реєстр. 0100U000482); "Проблемно-орієнтовані перетворювачі інформації" (2002-2003 р., № держ. реєстр. 0102U001206), "Теоретичні засади створення швидкодіючих проблемно-орієнтованих перетворювачів інформації" (2004-2005 р., № держ. реєстр. 0104U002297).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розроблення та дослідження раціональних принципів побудови і створення порозрядних логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів з підвищеними метрологічними характеристиками на основі комутованих конденсаторів.

У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:

1. Критичний аналіз методів і засобів порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення.

2. Подальший розвиток принципів побудови порозрядних і рекурентних ЛАЦП.

3. Виявлення джерел похибок, встановлення їх впливу на процес перетворення, розробка математичних моделей похибок і методів компенсації похибок.

4. Розробка моделюючих програм для дослідження похибок характеристик порозрядних і рекурентних ЛАЦП.

5. Розробка структурних, функціональних і принципових схем порозрядних і рекурентних ЛАЦП з покращеними метрологічними характеристиками.

6. Розробка практичних рекомендацій по проектуванню порозрядних і рекурентних ЛАЦП.

7. Впровадження результатів роботи у промисловість і навчальний процес.

Об'єкт дослідження - процес логарифмічного аналого-цифрового перетворення інформації про стан фізичних об'єктів.

Предмет дослідження - методи та засоби порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення.

Методи досліджень. У роботі використані методи теорії лінійних електричних кіл і функцій комплексної змінної для дослідження властивостей і визначення характеристик перетворення ЛАЦП, узагальнений матричний метод для аналізу основних вузлів, методи систем керування для визначення стійкості вузлів і оцінки динаміки ЛАЦП, математичного моделювання на ЕОМ і теорії похибок для оцінки похибок ЛАЦП.

Результати теоретичних досліджень перевірялися експериментально при фізичному моделюванні і використані для реалізації конкретних пристроїв.

Наукова новизна.

Отримав подальший розвиток метод порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, рекурентний, який забезпечує підвищену точність та високу технологічність у вигляді інтегральних схем.

Розроблено методику розрахунку параметрів схем порозрядних і рекурентних ЛАЦП.

Виявлено джерела похибок і встановлено, що вплив на процес перетворення неідеальності елементів проявляється в основному через ефекти проникнення напруги управління ключами та передачі паразитного заряду затворів ключів, а також - через струми витікання.

Запропоновано математичні моделі похибок порозрядних ЛАЦП з накопиченням заряду, які дозволяють аналітично оцінити точність порозрядних ЛАЦП.

Дано рекомендації щодо реалізації різних рекурентних ЛАЦП і засобів на їх основі.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- розроблено нову структуру рекурентних ЛАЦП, яка може служити базовою структурою як, власне, складніших ЛАЦП, так і інших засобів на основі логарифматорів;

- розроблені математичні моделі дозволяють прогнозувати характеристики та параметри порозрядних ЛАЦП в процесі їх проектування;

- розроблено алгоритми та створено пакет прикладних програм для чисельного дослідження порозрядних ЛАЦП на ЕОМ, що дозволяє оцінити похибки та характеристики перетворення проектованих порозрядних ЛАЦП з урахуванням реальних параметрів компонентів;

- розроблено методику розрахунку похибок порозрядних і рекурентних ЛАЦП;

- розроблено методику розрахунку параметрів схем порозрядних і рекурентних ЛАЦП;

- дано рекомендації щодо реалізації різних рекурентних ЛАЦП і засобів на їх основі.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, що виконувалися на кафедрі "Автоматика та телемеханіка" Національного університету "Львівська політехніка" за період з 2001 р. по 2005 р.

За участю автора розроблені та впроваджені ряд нових класів логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів на комутованих конденсаторах (НДР, що фінансувалися з 2000 р. по 2005 р. за рахунок держбюджету, а саме - Міністерства освіти і науки України), зокрема:

1) порозрядні логарифмічні АЦП (№ держреєстрації 0100U000482);

2) порозрядні ЛАЦП із змінною основою логарифму (№ держреєстрації 0102U001206);

3) рекурентні ЛАЦП на комутованих конденсаторах (№ держреєстрації 0104U002297).

Акти впровадження та використання результатів дисертаційної роботи наведені у Додатку 1.

Матеріали дисертації впроваджені також у навчальний процес у Національному університеті "Львівська політехніка":

- теоретичні результати використовуються в лекційних заняттях в курсах "Основи проектування та САПР" і "Програмно-технічні засоби автоматизації вимірювань, контролю та діаганостики";

- розроблені лабораторні макети для вивчення принципів побудови порозрядних ЛАЦП використовуються в лабораторіях кафедри автоматики та телемеханіки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях, зокрема:

3-я міжнародна НТК “Комп'ютерні технології в науці, освіті та промисловості”, Дніпропетровськ, 26-28 травня 2004 р.

Міжнародна НТК “Приладобудування-2004”, Ялта, 13-17 вересня 2004 р.

11-а міжнародна конференція по автоматичному управлінню “Автоматика-2004”.- Київ, 27-30 вересня 2004 р.

5-а міжнародна НТК “Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи”.- ДРУКОТЕХН-2004. - Львів, 25-27 листопада 2004 р.

Результати роботи також доповідалися на науково-технічних семінарах кафедри автоматики та телемеханіки і конференціях Національного університету "Львівська політехніка".

Публікації результатів досліджень. Основний зміст роботи опублікований у 6 наукових статтях у фахових виданнях [1-6].

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати отримані дисертантом самостійно. У роботах, які опубліковані у співавторстві, дисертанту належать:

комп'ютерне моделювання та обробка результатів [2], фізичне моделювання [7], математичне моделювання [4, 5, 6], алгоритми та розрахункові співвідношення [2,8], обґрунтування наукових висновків та рекомендацій [1, 3,5], аналітичні розрахунки та побудова графіків[2, 4].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, двох додатків. Дисертація викладена на 104 сторінках, ілюстрована 20 рисунками, список використаних літературних джерел містить 138 і займає 10 сторінок і додатків на 20 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, планами та темами. Сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність роботи. Наведено відомості про впровадження результатів роботи, їх апробація та публікації.

У першому розділі проведено огляд і аналіз існуючих АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення, сформульовано задачі дослідження. В результаті проведеного аналізу встановлено, що клас точності КЛАЦП на p-n переході напівпровідникового елемента при сучасній інтегральній технології не може бути кращим класу точності 0,6 через: а) вплив і суттєву похибку невідповідності логарифму, викликану впливом -коефіцієнта передачі струму у схемі включення транзистора із спільною базою; б) наявність на на виході КЛАЦП лінійного АЦП, що призводить до погіршення точності та втрати основної переваги ЛП - сталого значення відносної похибки на всьому діапазоні вимірювання.

А також виявлено, що за рахунок впливу значного числа дестабілізуючих факторів і неідеальності компонентів похибка перетворення КЛАЦП із розрядним RC-колом не може бути меншою 0,5%.

Недоліком інтерполяційних КЛАЦП є порівняно невисока швидкодія, оскільки результат досягається за порівняно велике число періодів повторення імпульсів тактового генератора. Для забезпечення похибки перетворення меншої 1,0% потрібний час перетворення більший 80T.

Встановлено, що наявність значного числа резисторів різних номіналів є головним недоліком ЛАЦП з ваговими резисторами, оскільки робить нетехнологічною схему, а різний тепловий режим резисторів матриці приводить до збільшення похибки ЛАЦП.

ЛАЦП з резистивною матрицею R-2R . Схема має ряд переваг:

а) наявність резисторів лише двох значень, R i 2R, що зумовлює високу технологічність схеми, особливо при інтегральному виконанні;

б) сталі значення струмів у резисторах матриці при зміні значення вхідного коду,- що покращує тепловий режим роботи і сприяє підвищенню точності ЛАЦП;

в) сталий еквівалентний опір матриці, який не залежить від вхідного коду, внаслідок чого також підвищується точність ЛАЦП.

Суттєвим недоліком інтегруючих ЛАЦП є те, що час інтегрування має бути великим, оскільки в ПНЧ з імпульсним зворотним зв'язком із збільшенням частоти вище 10 кГц значно зростають похибки перетворення (так при похибці перетворення 0,5% час перетворення досягає декількох десятків мілісекунд ).

У другому розділі досліджено методи побудови порозрядних ЛАЦП. Особливості реалізації ЛАЦП на комутованих конденсаторах, порозрядних ЛАЦП із змінною основою логарифму і абсолютним поданням результату, порозрядних ЛАЦП із змінною основою логарифму і поданням результату характеристикою та мантисою, порозрядних ЛАЦП з перерозподілом заряду, рекурентних ЛАЦП.

Кожен ЛАЦП на комутованих конденсаторах містить як цифрові, так і аналогові вузли. Значний вплив на точність ЛАЦП має і узгодження окремих аналогових вузлів між собою.

В роботі наведена функціональна схема порозрядного ЛАЦП із змінною основою логарифму і абсолютним поданням результату. ЛАЦП містить: генератор тактових імпульсів (ГТІ), елемент збігу (І), одновібратор (ОВ), джерело опорної напруги (ДОН), блок формування показникової функції (БФПФ), регістр результату (РР), компаратор (Км), лічильник (Л), причому БФПФ містить тригер (Т), п'ять ключів (К1-К5), два накопичуючі конденсатори (С1 і С2), буферний каскад (БК), аналоговий комутатор (АК) і регульований масштабний перетворювач (МП).

Напруга на виході МП має значення Un, що відповідає виразу:

Експериментальні дослідження цього порозрядного ЛАЦП показали, що він має наступні технічні дані: динамічний діапазон вхідних сигналів 80 дБ (100 дБ), номінальне значення вхідних сигналів 10 В, похибка перетворення не більша 0,05%, час перетворення менший 100 мкс., вихідний сигнал - 12-розрядний двійковий код.

При необхідності число розрядів легко нарощується.

Зауважимо, що хоч відносна похибка перетворення розробленого порозрядного ЛАЦП дещо перевищує зведену похибку лінійних АЦП з цією ж розрядністю, зате ЛАЦП має важливу перевагу - значення відносної похибки перетворення ЛАЦП є сталим у всьому діапазоні зміни вхідних сигналів.

Перевагами розробленного порозрядного ЛАЦП є підвищена точність, зменшений час перетворення, можливість широкого та різнопланового використання.

Наведена функціональна схема порозрядного ЛАЦП із змінною основою логарифму і поданням результату характеристикою та мантисою, що містить блок визначення характеристики (БХ) та блок визначення мантиси (БМ).

Значення коефіцієнтів передачі напруги (Кі) по входах масштабного перетворювача МП задаються для будь-якого і-го входу за формулою:

Коефіцієнт , що задає значення дискретних приростів коефіцієнта передачі масштабного перетворювача МП можна визначити за формулою:

.

Розроблений порозрядний ЛАЦП, який має наступні технічні дані: динамічний діапазон вхідних сигналів 80 дБ (100 дБ), похибку перетворення не більшу 0,05%, час перетворення менший 100 мкс., вихідний сигнал - двійковий код, характеристика та мантисса представляються відповідно 3- і 12-а розрядами.

Досліджено особливості порозрядного ЛАЦП з перерозподілом заряду на комутованих конденсаторах.

Спрощена структурна схема такого ЛАЦП наведена на (рис.1.), де позначено: ДН - дільник напруги , Ком -комутатор,Км-компаратор, АП1-АП2-аналогова пам'ять.

Конденсатори послідовного дільника напруги вибираються за умовою:

при і .

Еквівалентна ємність послідовного дільника напруги (Се) .

Недоліком порозрядного ЛАЦП з перерозподілом заряду є значний вплив паразитних міжелектродних ключів ДН, що значно знижує точність перетворення

У практично реалізованому ЛАЦП такого типу було досягнуто точності 5-6 двійкових розрядів.

Запропоновано нову структурну схему логарифмічного аналого-цифрового перетворення - рекурентного, викладено принцип перетворення, розглянуто особливості реалізації, дано оцінку точності та швидкодії. Спрощена структурна схема такого ЛАЦП наведена на рис.1., де позначено: : ДН - дільник напруги , Ком -комутатор,Км -компаратор, АП1-АП2-аналогова пам'ять.

Сутність логарифмічного аналого-цифрового перетворення за рекурентним методом полягає у наступному. Шляхом ділення опорної напруги (U0) створюємо ряд еталонних рівнів напруг U1-Un, з яких будь-які два сусідні відрізняються в разів (тут - основа логарифму), причому кількість еталонних напруг рівна числу розрядів вихідного коду ЛАЦП (n):

;;;… ;

Почергово порівнюємо кожну з еталонних напруг із вхідною напругою.

Доведено, що для забезпечення однакового з лінійними АЦП значення похибки квантування порозрядні ЛАЦП повинні мати 1-2 надлишкові розряди.

Встановлено, що порозрядні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з накопиченням заряду забезпечують високу точність перетворення, до 11 двійкових розрядів. Більшу точність досягти важко через труднощі реалізації високоточних вагових резисторів окремих розрядів ЛАЦП.

Виявлено, що порозрядні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з перерозподілом заряду мають низьку точність, до 5-6 двійкових розрядів, через значний вплив паразитних міжелектродних ємностей аналогових ключів. Зменшити цей вплив можна збільшенням ємностей конденсаторного дільника напруги, але тоді погіршується технологічність виготовлення ЛАЦП.

З'ясовано, що найбільш перспективним є виконання порозрядних ЛАЦП за рекурентним методом, який при меншій порівняно з іншими ЛАЦП кількості вагових величин забезпечує підвищену точність, до 11-12 двійкових розрядів, і високу технологічність, яка дозволяє реалізацію рекурентних ЛАЦП у вигляді інтегральних схем.

У третьому розділі проведено математичне моделювання порозрядних ЛАЦП.

Виявлено джерела похибок і встановлено, що вплив на процес перетворення в ЛАЦП на комутованих конденсаторах неідеальності елементів проявляється в основному через струми витікання і наступні ефекти: проникнення напруги управління ключами, передачі паразитного заряду затворів ключів і безпосередньої зміни ємностей конденсаторних комірок паразитними ємностями в ЛАЦП з ПЗ; проникнення напруги управління ключами, проникнення опорної напруги, передачі паразитного заряду затворів ключів і безпосередньої зміни ємностей конденсаторних комірок паразитними ємностями в ЛАЦП з НЗ в пасивних конденсаторних комірках; проникнення напруги управління ключами та передачі паразитного заряду затворів ключів в ЛАЦП з НЗ в активних конденсаторних комірках.

На основі проведеного аналізу запропоновано математичні моделі похибок ЛАЦП з перерозподілом заряду та ЛАЦП з накопиченням заряду в пасивних і активних конденсаторних комірках, які дозволяють аналітично оцінити точність ЛАЦП.

Модель порозрядного ЛАЦП, яка відповідає спрощеній функціональній схемі і враховує паразитні міжелектродні ємності. Аналізуючи цю модель допущено рівність відповідних ємностей ключів:

Складові результуючої абсолютної похибки з множниками k1 i k2 - похибка () від передачі паразитного заряду, а з множниками і - похибка () від проникнення напруги управління:

Похибка від впливу струмів витікання: < 0,553 мв при Тп50 мс.

Розрахунок похибок був проведений за умови забезпечення похибки діапазону зміни вхідного сигналу 1мВ - 10 В. Для маштабуючого підсилювача похибка від зміни температури на 2оС відносно нормальної температури 20оС згідно вимог ДСТУ відноситься до основної. Отже, похибка від зміни опору при зміні температури в нормальних умовах становитиме:

,

і результуюча похибка від зміни температури буде значно менша, тобто:

Додаткова температурна похибка МП (згідно вимог ДСТУ) визначається на 10оС зміни температури, тобто в нашому випадку буде в 5 разів більшою від основної:

Результуюча похибка ЛАЦП (др) буде рівна сумі похибок інструментальної, що виникає за рахунок неідеальності елементів і квантування (методичної), які не корельовані між собою. Тому коефіцієнт кореляції приймемо рівним нулю (k=0) і визначимо результуючу похибку ЛАЦП за формулою:

ЛАЦП з перерозподілом і ЛАЦП з накопиченням заряду матимуть одинакові методичні похибки, тобто похибки квантування дК, і відрізнятимуться лише значеннями інструментальних похибок.

Відносна похибка квантування (дК) ЛАЦП залежить від вибору значення основи логарифму ж і є сталою у всьому динамічному діапазоні вхідних сигналів. її значення можна знайти за наведеною нижче формулою:

100%.

Інструментальна похибка ЛАЦП визначатиметься неідеальністю компонентів схеми ЛАЦП і, зокрема, впливом паразитних міжелектродних ємностей, струмів витікання і неузгодження дозуючого та накопичуючого конденсаторів.

В результуючій похибці домінуюче значення має інструментальна похибка, яка накопичується із збільшенням значення вихідного коду тому для зменшення результуючої похибки ЛАЦП необхідно зменшувати кількість тактів ЛАЦП.

З проведеного моделювання порозрядних ЛАЦП на комутованих конденсаторах витікає:

1. Вплив паразитних міжелектродних ємностей аналогових ключів на процеси накопичення заряду відбувається через:

а) проникнення напруги управління аналогового ключа у конденсаторну комірку;

б) передачу паразитного заряду затвора аналогового ключа в конденсаторну комірку.

2. З метою підвищення точності аналогові ключі треба виконувати на комплементарних парах транзисторів.

3. Результуюча похибка від впливу паразитних міжелектродних ємностей не перевищує 0,0045% для 12-розрядних ЛАЦП.

4. Похибка від струмів витікання не перевищує 0,002% для 12 розрядних ЛАЦП.

5. Результуюча похибка перетворення не перевищує 0,004% для 12-розрядних ЛАЦП і зменшується при зменшенні кількості розрядів ЛАЦП.

У четвертому розділі розглянуто варіанти реалізації та застосування розроблених порозрядних ЛАЦП та розроблено методику розрахунку параметрів порозрядних ЛАЦП

Аналоговий компаратор виконаний двокаскадним: перший каскад -ОП типу К140УД17А, другий каскад - ОП типу К554СА3А. Таке двокаскадне виконання компаратора забезпечує високу швидкодію, до 100 нС, при дозволяючій здатності краще 10 мкВ.

Основна похибка пікових детекторів менша 0,025% при зміні амплітуди від 10 мВ до 10 В у діапазоні частот 0 - 100 кГц, а похибка зберігання не перевищує 0,1% за 10 хвилин.

Використані аналогові ключі A2 і А8 типу К590КН13 мають опір у замкнутому стані менший 100Ом.

Одновібратором (DD1) доцільно використати схему типу К555АГ3. До нього ставиться лише єдина вимога: забезпечення тривалості імпульсу, достатньої для закінчення перехідних процесів при комутації ємнісної комірки.

Похибка від початкового значення напруги зміщення (для ОП типу К140УД17А воно рівне 25 мкВ) компенсується в процесі регулювання МП.

Отже, основна похибка МП складатиме

Джерело опорної напруги реалізовано двокаскадним: перший каскад - параметричний стабілізатор напруги на прецизійному стабілітроні, другий каскад - нормуючий підсилювач на операційному підсилювачі.

В конденсаторній комірці необхідно використовувати високостабільні прецизійні полістиролові або фторпластові коденсатори (типу К72П) і високоякісні аналогові ключі з малими струмами витікання (типу К590КН13).

Рекурентні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з перерозподілом заряду дозволяють підвищити приблизно у 2 рази точність (до 10 двійкових розрядів) порівняно з порозрядними ЛАЦП на КК з ПЗ при збереженні підвищеної технологічності для інтегрального виготовлення.

Експериментально досліджені порозрядні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з накопиченням заряду забезпечували похибку перетворення не більшу 0,04% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ при часі перетворення меншому 120 мкс.

На основі запропонованих математичних моделей розроблено програмні засоби, які дозволяють провести комп'ютерне моделювання порозрядних ЛАЦП, отримати характеристики перетворення та зробити оцінку точності на стадії їх проектування.

Результати проведених досліджень порозрядних ЛАЦП знайшли практичне використання у трьох держбюджетних науково-дослідних роботах за планом Міністерства освіти і науки України (№№ держ. реєстр. 0100U000482; 0102U001206; 0104U002297),

Висновки

1. Удосконалено метод порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, рекурентний, який забезпечує підвищену точність та високу технологічність у вигляді інтегральних схем, при меншій кількості еталонних величин.

2. Виявлено, що для того, щоб забезпечити однакове значення відносної похибки квантування з лінійними АЦП - порозрядні ЛАЦП повинні мати 1-2 надлишкові розряди.

3. Показано, що вплив паразитних міжелектродних ємностей аналогових ключів на процеси накопичення заряду відбувається через:

а) проникнення напруги управління аналогового ключа у конденсаторну комірку;

б) передачу паразитного заряду затвора аналогового ключа в конденсаторну комірку.

в) струми витікання.

4. Запропоновані математичні моделі похибок порозрядних ЛАЦП, які дозволяють аналітично оцінити точність порозрядних ЛАЦП.

5. Доведено, що результуюча інструментальна похибка перетворення не перевищує 0,005% для 12-розрядних ЛАЦП і зменшується при зменшенні кількості розрядів ЛАЦП.

6. Виявлено, що рекурентні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з перерозподілом заряду дозволяють підвищити приблизно у 2 рази точність (до 10 двійкових розрядів) порівняно з порозрядними ЛАЦП на КК з ПЗ при збереженні підвищеної технологічності для інтегрального виготовлення.

7. Експериментально досліджені порозрядні ЛАЦП на комутованих конденсаторах з накопиченням заряду забезпечували результуючу похибку перетворення не більшу 0,04% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ при часі перетворення меншому 120 мкс.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Мичуда З.Р., Ільканич К.І. Універсальний прецизійний піковий детектор// Вісник НУЛП - Комп'ютерна інженерія та інфоромаційні технології, Л.: НУЛП, 2001, вип.433, с. 27-32.

Мичуда З.Р., Ільканич К.І., Мичуда Л.З. Новий метод логарифмічного аналого-цифрового перетворення // Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”, 2004, № 12, с.220-224.

Ільканич К.І., Католик Б.О., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Оцінка динамічних властивостей логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів на комутованих конденсаторах// Сборник научных трудов Национального горного университета, Дніпропетровськ, 2004 р., № 19, т.2, с. 135-143.

Ільканич К.І., Мичуда З.Р. Моделювання впливу паразитних міжелектродних ємностей в порозрядних логарифмічних АЦП// Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”, Л.: УАД, 2005, № 13, с.216-226

Ільканич К.І., Мичуда З.Р. Порозрядні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі. Огляд// Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, Л.: НУЛП, 2005, вип., с.53-60

Мичуда З.Р., Коструба О.Р., Ільканич К.І.,. Мичуда Л.З Оцінка точності ЛАЦП на комутованих конденсаторах// Вісник Черкаського Державного технологічного університету,Л.: 3.2005 с.181-184

Мичуда З.Р., Ільканич К.І., Мичуда Л.З. Логарифмічне аналого-цифрове перетворення за рекурентним методом// Сборник трудов международной НТК “Приборостроение - 2004”, Винница-Ялта, 2004, с. 68-71.

Мичуда З.Р., Ільканич К.І. Порозрядні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі// Матеріали 11-тої Міжнародної конференції з управління “Автоматика-2004”. Праці.- К.: НУХТ, 2004, т.2, с.28.

Анотація

Ільканич К.І. Порозрядні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування.- Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2006.

У дисертації отримав подальший розвиток метод порозрядного логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, рекурентний, який забезпечує підвищену точність та високу технологічність у вигляді інтегральних схем.

Виявлено джерела похибок і встановлено, що вплив на процес перетворення неідеальності елементів проявляється в основному через ефекти проникнення напруги управління ключами та передачі паразитного заряду заслонів ключів, а також - через струми витікання. Запропоновано математичні моделі похибок порозрядних ЛАЦП з накопиченням заряду, які дозволяють аналітично оцінити точність порозрядних ЛАЦП. Розроблено ряд структурних, функціональних і принципових схем порозрядних і рекурентних ЛАЦП з покращеними метрологічними характеристиками а також практичні рекомендацій по проектуванню порозрядних і рекурентних ЛАЦП.

Ключові слова: логарифмічне аналого-цифрове перетворення, комутовані конденсатори, принципи, методи, засоби, аналіз, моделювання.

Ильканыч Е.И. Порозрядные логарифмические аналого-цифровые преобразователи.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.- Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2006.

У кандидатской диссертации получили дальнейшее розвитие поразрядный и рекурентный методы логарифмического аналого-цифрового преобразования на коммутированных конденсаторах. Повышение точности обеспечивает высокую технологичность и делает перспективными эти ЛАЦП для интегрального изготовления поскольку информация о состоянии объектов в большенстве, имеет аналоговий характер, а информация на ЕОМ обрабатывается исключительно у цифровой форме. Большая разновидность известных АЦП не исчерпывает всех возможностей улучшения их метрологических и експлуатационных характеристик. При этом особого внимания заслуживают логарифмические АЦП (ЛАЦП), для которых характерный широкий динамический диапазон входных сигналов, постоянное значение относительной погрешности преобразования, обеспечение возможности роботы с логарифмической арифметикой, которая позволяет значительно повысить быстродействие систем реального времени.

Обоснованы направления задачи и объект и методи исследований, а также кратко изложены основные результаты. Проведен исчерпывающий обзор современного состояния логарифмических аналого-цифровых преобразователей, а также проведен анализ принципов построения поразрядных ЛАЦП.

В роботе показано, что поразрядные ЛАЦП на коммутированных конденсаторах с накоплением заряда обеспечивают высокую точность преобразовання, до 11 двоичных розрядов. Высокой точности достигнуть сложно из-за трудностей реализации высокоточных весовых резисторов отдельных разрядов ЛАЦП. А поразрядные ЛАЦП на коммутированных конденсаторах с перераспределением заряда имеют низкую точность, до 5-6 двоичных розрядов, из-за значительного влияния паразитных междуэлектродных емкостей аналоговых ключей. Уменшить это влияние можно увеличением емкостей конденсаторного делителя напряжения, но при этом ухудшается технологичность изготовления ЛАЦП.

Более перспективно выполнение поразрядных ЛАЦП по рекурентном методе, который при меньшем, сравнительно с другими ЛАЦП, количестве весовых величин обеспечивает повышенную точность, до 11-12 двоичных розрядов, и высокую технологичность, которая позволяет реализацию рекурентных ЛАЦП в виде интегральных схем. Рекурентные ЛАЦП на коммутированных конденсаторах з перераспределением заряда позволяют повысить точность приблизительно в 2 раза (до 10 двоичных розрядов) сравнительно с поразрядными ЛАЦП на КК с ПЗ при сохранении повышенной технологичности для интегрального изготовления, предложено новую структурную схему такого рекурентного ЛАЦП.

Выявлены источники погрешностей и установлено, что влияние на процесс преобразования неидеальности елементов порозрядных ЛАЦП проявляется подобно последовательным ЛАЦП с накоплением заряда, а именно, через эфекты проникновения напряжения управления ключами и передачи паразитного заряда затворов ключей и через ток утечки.

Представлены математические модели погрешностей поразрядных ЛАЦП с накоплением заряда, которые позволяют аналитически оценить точность поразрядных ЛАЦП. Проведено математическое моделирование поразрядных ЛАЦП, а также розработаны программные средства моделирования поразрядных ЛАЦП. Результирующая инструментальная погрешность преобразования не превышает 0,005% для 12-розрядных ЛАЦП и уменьшается при уменьшении количества розрядов ЛАЦП.

Изложены особенности физического моделирования основных узлов и порозрядных ЛАЦП в целом.

Експериментально исследованные поразрядные ЛАЦП на коммутированых конденсаторах с накоплением заряда обеспечивали погрешность преобразования не более 0,04% в диапазоне входных сигналов 80 дБ с временем преобразования меньше 120 мкс.

На основании предложенных математических моделей розроботано програмные средства, которые позволяют провести компьютерное моделирование поразрядных ЛАЦП, получить характеристики преобразования и произвести оценку точности на стадии их проектирования.

Ключевые слова: логарифмическое аналого-цифровое преобразование, коммутируемые конденсаторы, принципы, методы, средства, моделирование, анализ.

Ilkanych K.I. Successive approximation logarithmic analogo-digital converters.- Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.13.05 - elements and devices of the computing engineering and management systems.- National university of “Lvіvska polіtehnіka”, Lviv, 2006.

In dissertation, beginning is fixed and a new direction of logarithmic analog-digital converters is developed, namely - on commutator condensers. New principles and methods are offered, theoretical bases are developed, in particular, a new theorem is proved about the equivalence of the linear electrostatic systems. Mathematical models and new structures LADT, which excel after exactness and fast-acting of known LADT substantially, are created, are evened after these descriptions with linear ADT, but considerably the linear prevail after functional possibilities.

New principles of logarithmic analog-digital converters are based on the phenomena of redistribution, accumulation and aggregate of redistribution-accumulation of charge in commutator condensers and allow to realize any value of basis to logarithm : .

On the basis of the offered new principles such methods of logarithmic analog-digital converters are first realized as reading, in types, recourentniy and with a variable basis to logarithm.

Keywords: logarithmic analog-digital converters, commutator condensers, principles, methods, facilities, analysis, design.

Размещено на Allbest.ru

...