Високоточні аналого-цифрові перетворювачі з перерозподілом заряду на основі інформаційної надлишковості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Високоточні аналого-цифрові перетворювачі з перерозподілом заряду на основі інформаційної надлишковості

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика дисертаційної роботи

цифровий самокалібрований перетворювач заряд

Актуальність теми. Застосування комп'ютерів у різних галузях людської діяльності вимагає постійного вдосконалення існуючих та розробки нових типів аналого-цифрових та цифроаналогових перетворювачів (АЦП та ЦАП). Це пояснюється тим призначенням, яке виконують перетворювачі форми інформації (ПФІ) в інформаційно-вимірювальних системах, в автоматизованих системах керування, системах зв'язку комп'ютерів з об'єктами. АЦП та ЦАП виконують роль інтерфейсу між реальними аналоговими сигналами об'єктів та цифровими сигналами комп'ютерів. Адекватність відображення реальних аналогових процесів їх цифровими еквівалентами цілком залежить від якості аналого-цифрового перетворення. Основними вимогами, що висуваються до сучасних ПФІ, є підвищення швидкодії, точності та надійності. Крім того, ПФІ повинні мати стабільні характеристики при зміненні зовнішніх чинників та протягом тривалого часу експлуатації. Ще одна важлива вимога - можливість інтегрального виконання. Більшості вимог задовольняють ПФІ, побудовані на схемах із комутованими конденсаторами. Головні переваги АЦП на комутованих конденсаторах (АЦПКК) пов'язані з можливістю їх реалізації за КМОН-технологією, яка на сьогоднішній день є найпоширенішою. Ще однією перевагою МОН-структур є те, що ця технологія дозволяє простим способом реалізувати конденсатор, який є одним з основних елементів АЦПКК. Крім того, точність виконання конденсаторів за КМОН-технологією значно краща за точність виконання резисторів. Відносна похибка при реалізації конденсаторів у типових КМОН-технологіях менше 0,06%, а чутливість цього параметру до змінення робочої температури дуже слабка. АЦПКК не потребують використання пристроїв вибирання й зберігання та споживають значно меншу потужність у порівнянні з іншими типами ПФІ. До недоліків перетворювачів даного класу можна віднести дещо меншу швидкодію в порівнянні з біполярними пристроями.

Як і для інших типів ПФІ, проблема підвищення точності та швидкодії АЦПКК є актуальною. Частково вона може бути вирішена за рахунок покращення технології (використання лазерного припасування елементів). Однак, цей підхід, крім суттєвого збільшення вартості виробництва, призводить до погіршення температурних параметрів, зменшує надійність пристроїв. Інший шлях покращення точносних характеристик АЦП - уведення надлишковості на різних рівнях проектування пристроїв: функціонально-алгоритмічному, інформаційному та структурно-схемотехнічному. Використання інформаційної надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ) є одним із перспективних шляхів комплексного вирішення проблеми підвищення точності та швидкодії АЦПКК. Особливості функціонування АЦП із перерозподілом заряду (ПЗ) не дають можливості перенести відомі підходи підвищення точності та швидкодії АЦП за рахунок НПСЧ на пристрої згаданого класу і потребують детальних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з планом наукових досліджень Вінницького державного технічного університету в рамках держбюджетної теми 52_Д_201 «Дослідження принципів уведення інформаційної надлишковості для підвищення точності та швидкості аналого-цифрового перетворення», номер держ. реєстр. №0199U003435.

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення точності швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, побудованих на низькоточних аналогових вузлах, за рахунок використання інформаційної надлишковості у вигляді НПСЧ, розробка рекомендацій по використанню отриманих теоретичних положень для проектування високоточних швидкодіючих самокаліброваних АЦП на комутованих конденсаторах, а також аналогових вузлів згаданих перетворювачів інформації на перспективній елементній базі.

Основні задачі, що визначаються поставленою метою:

1. Розробка структур високоточних швидкодіючих самокаліброваних АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду.

2. Подальша розробка теоретичних положень щодо зменшення статичних похибок швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду на основі НПСЧ.

3. Розробка математичних моделей статичних та динамічних похибок АЦП із перерозподілом заряду, в яких підвищення точності й швидкодії здійснюється за рахунок використання інформаційної надлишковості.

4. Удосконалення методів підвищення точності швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду шляхом цифрового калібрування ваг розрядів.

5. Отримання аналітичних співвідношень для визначення методичних похибок швидкісного аналого-цифрового перетворення порозрядного врівноваження й виявлення шляхів їх зменшення.

6. Розробка рекомендацій щодо проектування швидкодіючих високолінійних самокаліброваних АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, які реалізують запропоновані методи підвищення точності, а також проектування аналогових вузлів цих пристроїв на перспективній елементній базі.

Об'єкт дослідження - процес аналого-цифрового перетворення порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, що породжує проблему підвищення точності швидкодіючих АЦП.

Предмет дослідження - статичні та динамічні похибки швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду на основі НПСЧ.

Методи досліджень базуються на математичному моделюванні процесів аналого-цифрового перетворення під час аналізу статичних та динамічних похибок, теорії похибок для дослідження точності швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, теорії чисел і чисельних методах для вибору основи надлишкової позиційної системи числення, математичному аналізі електронних схем для розробки аналогових вузлів АЦП та комп'ютерному моделюванні під час аналізу функціонування як всього пристрою в цілому, так і окремих його вузлів.

Наукова новизна отриманих результатів. До основних результатів, що доводять наукову новизну, відносяться:

вдосконалені та дістали подальшого розвитку принципи побудови пристроїв високоточного швидкісного аналого-цифрового перетворення порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду за рахунок використання інформаційної надлишковості;

подальший розвиток методів зменшення статичних похибок швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, які базуються на використанні інформаційної надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення;

уперше отримані математичні моделі статичних та динамічних похибок АЦП із перерозподілом заряду, які дозволяють визначити основні джерела появи похибок та шляхи їх зменшення; доведено, що статичні похибки перетворення у значній мірі визначаються методичною складовою;

удосконалені математичні моделі методичних похибок самокалібрування, аналіз яких дозволяє покращити відомі методи самокалібрування ваг розрядів і підвищити точність швидкісного аналого-цифрового перетворення пристроями, побудованими на низькоточній елементній базі;

вперше отримані аналітичні співвідношення, які дозволяють оцінювати значення похибок швидкісного аналого-цифрового перетворення з використанням запропонованих методів самокалібрування ваг розрядів для різних стратегій калібрування.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність полягає в тому, що:

розроблені теоретичні положення доведені до рекомендацій щодо проектування високоточних швидкодіючих АЦП з перерозподілом заряду на основі НПСЧ, які забезпечують, зокрема, стабілізацію метрологічних характеристик при зміненні умов навколишнього середовища та протягом тривалих проміжків часу, а також підвищення швидкості аналого-цифрового перетворення за рахунок компенсації динамічних похибок;

розроблені практичні рекомендації щодо схемотехнічного проектування аналогових вузлів самокаліброваних АЦП з перерозподілом заряду.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в розробках холдингової компанії «Реле й автоматика» (м. Київ) при проектуванні томографічних пристроїв, в яких застосовуються високоточні швидкодіючі самокалібровані АЦП, та використовуються в навчальному процесі на кафедрі обчислювальної техніки Вінницького державного технічного університету. Підтвердженням впровадження результатів дисертаційної роботи є наявність відповідних актів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачем: [1] - запропоновано процедури калібрування ваг розрядів АЦП, що базуються на проведенні проміжкових калібрувань, по результатах яких обчислюються відхилення ваг розрядів; [2] - запропонована методика дослідження похибок самокаліброваних АЦП із ПЗ, зокрема, методичної похибки самокалібрування; [4] - розглянуті основні різновиди аналого-цифрових перетворювачів; виявлені основні переваги АЦПКК; [6] - запропоновано різні варіанти формування допоміжного сигналу і, відповідно, досліджень залежності методичної похибки , а також всіх її складових від ; [7] - розроблено алгоритм калібрування АЦП із ПЗ, який реалізований за схемою «згори-донизу» й дозволяє завдяки використанню НПСЧ виконувати калібрування ваг розрядів виключно у цифровій формі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародній конференції «Контроль і управління в складних системах» (Вінниця, ВДТУ, 1999 р.), на міжнародній науково-технічній конференції DAS_2000 (Румунія, Університет «Стефана чел. Маре», 2000 р.), на міжнародній науково-технічній конференції «Приборостроение - 2000» (Симеіз, 2000 р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Вінницького державного технічного університету (Вінниця, ВДТУ, 1999-2001 р.).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 5 статтях у наукових журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України та 2 доповідях на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, чотирьох додатків, загальний обсяг дисертації 220 сторінок, із яких основний зміст викладений на 137 сторінках друкованого тексту, 76 рисунків на 43 сторінках, 5 таблиць. Список використаних джерел складається з 167 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету роботи. Охарактеризовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано зв'язок поставлених задач із плановими науковими дослідженнями. Наведено коротку анотацію дисертаційної роботи.

У першому розділі проводиться огляд сучасного стану й аналізуються тенденції розвитку сучасних інтегральних конденсаторних ПФІ. Виявлено особливості структурної організації та принципи функціонування різних типів АЦП із ПЗ. Описуються шляхи підвищення точності швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з ПЗ. З метою підвищення точності АЦП широко застосовуються методи компенсації похибок, припасування параметрів, стабілізація параметрів у часі за рахунок штучного старіння, термостабілізація та інші прийоми. Однак, оскільки витрати на розробку та виготовлення ПФІ збільшуються зі зростанням точності, то комбінація технологічних та структурно-алгоритмічних методів дозволяє покращити метрологічні показники у порівнянні з використанням чисто технологічних методів. Останнім часом поширено використовуються структурно-алгоритмічні методи підвищення лінійності й точності в цілому, спрямовані на зменшення впливу «неідеальностей» операційних підсилювачів. Серед методів підвищення точності шляхом самокалібрування ваг розрядів найбільше розповсюдження отримали стратегії самокалібрування «знизу-догори» та «згори-донизу», а також різні їх комбінації. При використанні двійкової системи числення самокалібрування виконується в цифро-аналоговій формі, що означає: а) необхідність використання додаткових калібруючих ЦАП по числу розрядів, що калібруються; б) додаткові витрати часу в режимі основного перетворення для формування коригуючих аналогових сигналів.

У теперішній час перспективним напрямом поліпшення характеристик АЦП із ПЗ є використання інформаційної надлишковості у формі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ). У 80_х роках ХХ ст. під керівництвом проф. Азарова О.Д. були створені перші зразки високоточних швидкодіючих АЦП на основі НПСЧ. Розповсюдженню принципу підвищення точності на швидкодіючі АЦП порозрядного врівноваження з ПЗ за рахунок інформаційної надлишковості у вигляді НПСЧ і присвячена дана дисертаційна робота. На основі розглянутих переваг і недоліків структур АЦП із перерозподілом заряду, методів поліпшення їх характеристик здійснено вибір напрямку і сформульовано основні задачі досліджень.

У другому розділі створені математичні моделі АЦП із ПЗ на базі ЦАП вагового, драбинкового та комбінованого типів, досліджені похибки та динамічні характеристики АЦП із ПЗ. Отримані аналітичні співвідношення, які описують функціонування вказаного пристрою. Структурна схема та алгоритм функціонування АЦП із ПЗ на основі конденсаторної -матриці, де - основа системи числення, наведені на рис. 1 та 2.

Функціонування АЦП із ПЗ проходить у три фази: вибирання вхідного сигналу, проміжна фаза та фаза перерозподілу або врівноваження. Отримані математичні співвідношення, що характеризують стан АЦП на кожному кроці перетворення, а також співвідношення для обчислення компенсуючого сигналу. Заряд, накопичений на конденсаторній матриці, на першій фазі обчислюється за формулою:

(1)

де - ємність конденсатора наймолодшого розряду; - ємність допоміжного конденсатора; та - потенціали в точках та . Вираз, що описує стан конденсаторної матриці в проміжній фазі, буде аналогічним виразу (1), а, враховуючи, що , можна записати:

Третя фаза, або фаза перерозподілу, налічує кроків. На першому кроці

де - сумарна ємність конденсаторної матриці. На другому кроці врівноваження:

Таким чином, на останньому кроці врівноваження напруга в точці дорівнюватиме:

де - розрядні коефіцієнти з множини . Звідси отримано вираз для похибки врівноваження вхідного сигналу, яка визначається значенням молодшого розряду:

де - допоміжний коефіцієнт. Оскільки абсолютне значення не впливає на основу системи числення, то його доцільно використовувати для компенсації похибки масштабу перетворювача.

Розглянуто принципи побудови АЦП для перетворення двополярних вхідних сигналів із використанням одного та двох джерел опорної напруги. Наведені розрахунки й аналітичні співвідношення конденсаторних матриць.

Проведено аналіз похибок, що виникають в АЦП із ПЗ. Можна виділити кілька джерел похибок. Першим джерелом є похибки, пов'язані з відхиленнями номіналів конденсаторів від необхідних значень. Друга причина похибок пов'язана з наявністю паразитних ємностей ключових елементів , та . Наявність цих ємностей призводить до проходження керуючого сигналу на матрицю конденсаторів і спотворенню вхідного сигналу. Й, нарешті, остання причина похибок будь-якого АЦП обумовлена неідеальністю схеми порівняння. Неідеальність схеми порівняння виражається у наявності напруги зсуву нуля по входу, обмеженому вхідному опорі, обмеженні чутливості тощо.

Доведено, що відхилення номіналів конденсаторів призводять тільки до появи похибки нелінійності, отримані формули для розрахунку інтегральної та диференційної нелінійності. Так, інтегральна нелінійність (максимальне відхилення від ідеальної кодувальної характеристики) розраховується за формулою:

де - розрядний коефіцієнт, який приймає значення 1 у випадку, коли , та 0 - в іншому разі. Аналогічно , якщо та , коли . Диференційна нелінійність (максимальна висота сходинки в кодувальній характеристиці):

.

Показано, що при введенні інформаційної надлишковості у вигляді НПСЧ () можлива автокомпенсація похибок диференційної нелінійності. Проведено аналіз впливу температури та струмів витікання на похибку врівноваження. Доведено, що за відсутності градієнта температури в межах кристалу змінення температури не впливають на точність перетворення. Аналіз струмів витікання для інтегральних конденсаторів показав, що цю складову похибки доцільно враховувати у випадку, коли кількість розрядів перебільшує 14.

Проведені дослідження динамічних параметрів АЦП із ПЗ. Визначені умови, при яких конденсаторна матриця може розглядатись як безінерційний пристрій і не впливати на динамічні характеристики АЦП. Умовою безінерційності будь-якого кроку врівноваження є:

; (2)

(3)

де - основа робочої системи числення АЦП; - ємність наймолодшого конденсатора; - номінал опору ключа наймолодшого конденсатора. Однак при практичній реалізації АЦП із ПЗ неможливо забезпечити виконання умов (2) та (3). Це обумовлено низкою принципових обмежень, зокрема, недосконалістю технологічного процесу при виготовленні конденсаторів, залишковим опором, який утворюється замкненим ключем. Останній чинник є досить впливовим, оскільки опір відкритого МОН-транзистора, який є основою МОН-ключа, суттєво залежить від напруги між стоком і витоком. Виходячи з цього отримані співвідношення, що характеризують напругу в точці на довільному кроці врівноваження:

.

де - динамічна складова напруги на -ому кроці врівноваження:

,

де - довжина такту врівноваження;

- постійна часу на -ому кроці врівноваження;

- статична складова струму в момент комутації -го розряду;

- статична складова напруги на -ому кроці врівноваження:

Вираз для складає математичну модель динамічної похибки АЦП із ПЗ і характеризує динамічну похибку компенсуючої напруги на початку довільного -го такту врівноваження. За умови динамічна похибка формування -тої компенсуючої напруги дорівнюватиме:

де - загальний опір замкнених ключових елементів із до ;

- сумарна ємність конденсаторів із до .

У третьому розділі проведено дослідження запропонованих методів підвищення точності та швидкодії АЦП із ПЗ. Розроблені процедури цифрового самокалібрування ваг розрядів АЦП із перерозподілом заряду, які реалізують стратегії калібрування «згори-донизу» та «знизу-догори», побудованих на основі надлишкових позиційних систем числення. Процедури самокалібрування АЦП із перерозподілом заряду «знизу-догори» базуються на алгоритмах одноразового й дворазового врівноваження, причому другий алгоритм усуває недоліки першого. Для процедури «знизу-догори» характерним є те, що ваги старших розрядів калібруються на основі «точних» та відкаліброваних «неточних» ваг розрядів. Це призводить до появи методичної похибки, значення якої зростає зі збільшенням кількості розрядів, що калібруються. Таким чином, похибка перетворення обумовлена методичними похибками калібрування розрядів компенсуючого ЦАП.

Автором розроблено процедуру калібрування АЦП із перерозподілом заряду за схемою «згори-донизу», яка завдяки використанню інформаційної надлишковості у вигляді НПСЧ дозволяє виконувати калібрування ваг розрядів виключно у цифровій формі. Це дає змогу відмовитись від використання додаткових коригувальних ЦАП. Крім того, зменшуються вимоги щодо технології виготовлення коригувального ЦАП, а також зменшується його роздільна здатність до рівня половини молодшого розряду основного ЦАП. Доведено, що при використанні системи числення з розрядними коефіцієнтами максимальна похибка одного калібрування дорівнює , де - значення молодшого розряду додаткового ЦАП. Так, наприклад, при калібруванні шести розрядів максимально можлива похибка може бути розрахована як:

.

Оскільки ймовірність появи максимальної похибки квантування при всіх калібруваннях одночасно при збільшенні кількості калібрувань зменшується, можна стверджувати, що значення молодшого розряду калібрувального ЦАП може співпадати зі значенням молодшого розряду основного ЦАП, що значно зменшує вимоги щодо технології виготовлення аналогової частини АЦП.

Розроблено методику дослідження методичних похибок самокалібрування АЦП із перерозподілом заряду. Отримані аналітичні вирази, за якими можуть бути обчислені складові методичної похибки калібрування. Автор пропонує універсальний спосіб дослідження та оцінювання методичних похибок самокалібрування. Цей підхід не залежить від алгоритму калібрування і базується на методах імітаційного моделювання процесу самокалібрування. Узагальнені алгоритми для дослідження процесу самокалібрування згідно зі стратегією «знизу-догори» та «згори-донизу» наведені відповідно на рис. 3а та 3б. Для реалізації стратегії «знизу-догори» використовується допоміжний сигнал , причому значення похибки квантування суттєво залежить від значення . Автором запропоновані різні варіанти формування й досліджень залежності , а також усіх складових похибки від .

Проведені дослідження методичних похибок калібрування АЦП із перерозподілом заряду. Графічна інтерпретація , де - значення допоміжного сигналу, для різних наведена на рис. 4. Дослідження характеристики «вхід-вихід» з урахуванням похибки самокалібрування дозволяє виділити окремі складові похибки самокалібрування, а саме зсув нуля , похибку масштабу та похибку нелінійності . Значення згаданих похибок, як і похибки окремих розрядів, залежать від , , а також відхилень ваг розрядів. Результати моделювання залежностей та наведені на рис. 5. Запропоновані підходи щодо зменшення методичних похибок самокалібрування. Перший підхід базується на компенсації методичних похибок, отриманих при калібруванні молодших розрядів, на етапі калібрування старших розрядів. Другий підхід передбачає визначення діапазону значень допоміжного сигналу , при яких методична похибка є мінімальною. Виконані дослідження алгоритмів калібрування на основі багаторазового врівноваження при різних значеннях із подальшим осередненням. Запропоновано методику визначення оптимального кроку при фіксуванні значень , яка базується на використанні функції швидкого перетворення Фур'є. Показано, що значення кроку калібрування визначається кількістю додаткових розрядів, що використовуються. Автором запропоновано підхід, який дозволить певною мірою зменшити похибку калібрування старших розрядів при використанні «золотої» пропорції або будь-якої іншої системи числення з рекурентним співвідношенням між вагами розрядів.

У четвертому розділі розроблені теоретичні положення доведені до рекомендацій щодо проектування високоточних АЦП із перерозподілом заряду на основі НПСЧ, які забезпечують, зокрема, стабілізацію метрологічних характеристик при зміненні умов навколишнього середовища та протягом тривалих проміжків часу, а також розроблені практичні рекомендації щодо схемотехнічного проектування аналогових вузлів самокаліброваних АЦП із перерозподілом заряду. Розглядаються структурні рішення, що реалізують запропоновані методи.

Під час проектування АЦП високої роздільної здатності (16 двійкових розрядів і вище) серйозні вимоги висуваються до схем порівняння. Наприклад, для досягнення роздільної здатності на рівні 16 біт при частоті перетворення і при використанні опорної напруги , чутливість компаратора повинна дорівнювати , а швидкодія приблизно . На етапі калібрування вимоги щодо чутливості компаратора ще збільшуються . Для досягнення вказаних вимог автором пропонуються схеми порівняння напруги на базі підсилювача струму та модернізовані схеми комутуючих елементів. Для покращення динамічних характеристик АЦП необхідно забезпечити масштабування опору ключових елементів, що комутують нижні платівки конденсаторів. У роботі досліджені методи масштабування шляхом зменшення ширини каналу комутуючого транзистора та шляхом запаралелювання кількох транзисторів. Результати моделювання наведені на рис. 7а та 7б відповідно.

Запропоновано елементарну комірку АЦП із ПЗ у складі одного конденсатора найменшої ємності та одного ключового елементу, на базі якої шляхом нарощування може бути побудований АЦП довільної розрядності. Елементарна комірка відповідає наймолодшому розряду. Такий підхід забезпечує найкращі температурні і часові параметри, більшу точність перетворювача та спрощує технологічні вимоги щодо виготовлення пристрою в інтегральному виконанні.

Основні результати та висновки

У дисертаційній роботі проведено дослідження, присвячені розробці методів високоточного швидкісного аналого-цифрового перетворення за принципом перерозподілу заряду на основі надлишкових позиційних систем числення.

Основні результати досліджень є такими:

1. Проведено аналіз сучасних принципів побудови АЦП на комутованих конденсаторах, одним із різновидів яких є АЦП порозрядного врівноваження з ПЗ. Показано, що цей клас перетворювачів інформації є перспективним, оскільки існує можливість реалізації їх за КМОН-технологією, яка на сьогоднішній день є найпоширенішою. Крім того, в них дещо знижені вимоги щодо технології виготовлення аналогових вузлів у порівнянні з АЦП, в яких використовуються резистивні ЦАП. Подальшого розвитку дістали елементи теорії порозрядного аналого-цифрового перетворення з перерозподілом заряду. Доведено, що точносні характеристики швидкодіючих АЦП із перерозподілом заряду можуть бути значно покращені за рахунок використання інформаційної надлишковості у вигляді НПСЧ.

2. Подальшого розвитку дістали методи зменшення похибок швидкісного аналого-цифрового перетворення в АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду на основі НПСЧ. Отримані аналітичні співвідношення, які підтверджують, що запропонований підхід дозволяє суттєво зменшити результуючі похибки перетворення в порівнянні з первинними похибками аналогових вузлів.

3. Проаналізовано структури конденсаторних -матриць, які є основою АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду. Отримані математичні співвідношення, що характеризують похибки аналого-цифрового перетворення, обумовлені різними чинниками. Показано, що за умов використання надлишкової позиційної системи числення, можливе значне зменшення похибок диференційної нелінійності за рахунок самокалібрування ваг розрядів, значення яких відрізняються від номінальних.

4. Запропоновані процедури цифрового самокалібрування ваг розрядів швидкодіючих АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду, які реалізують стратегії калібрування «знизу-догори» та «згори-донизу» і дозволяють зменшити похибки перетворення. Розроблено методики дослідження процесів самокалібрування, які базуються на імітаційному моделюванні. Показано, що значення методичної похибки калібрування суттєво залежить від кількості «неточних» та додаткових розрядів, а також значення допоміжного сигналу, що дало можливість запропонувати та дослідити різні підходи щодо її зменшення.

5. Запропоновано новий підхід підвищення точності швидкісного аналого-цифрового перетворення, який базується на компенсації методичних похибок, отриманих під час калібрування молодших «неточних» розрядів, на етапі багаторазового калібрування старших розрядів із наступним осередненням. Це дозволяє знизити результуючу похибку перетворення за рахунок зменшення її методичної складової під час самокалібрування. Таким чином зменшується кількість додаткових розрядів, спрощуються вимоги до параметрів аналогових вузлів та скорочується тривалість такту врівноваження.

6. Розроблені рекомендації щодо проектування високоточних самокаліброваних АЦП порозрядного врівноваження з перерозподілом заряду підвищеної швидкодії в інтегральному виконанні за спрощеною технологією без лазерного припасування параметрів аналогових вузлів, а також проектування елементної бази цих пристроїв, зокрема, конденсаторних матриць, комутуючих елементів та схем порівняння. Доведено, що запропоновані підходи забезпечують температурну стабільність похибок перетворення в широкому температурному діапазоні та протягом усього циклу експлуатації.

7. Запропоновані рекомендації впроваджені в розробках холдингової компанії «Реле й автоматика» (м. Київ) під час проектування томографічних пристроїв, у яких для якісної та термінової обробки результатів медичних досліджень, поліпшення характеристик ефективної обчислювальної реконструкції процесу та забезпечення високих якісних показників перетворення одного виду інформації в інший використовуються високоточні швидкодіючі самокалібровані АЦП порозрядного врівноваження з ПЗ. Крім того, розроблені теоретичні положення та практичні рекомендації використовуються для організації навчального процесу на кафедрі обчислювальної техніки Вінницького державного технічного університету.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Біліченко Н.О., Захарченко С.М., Азаров О.Д. Самокалібрування надлишкових АЦП із перерозподілом заряду // Реєстрація, зберігання та обробка даних. - 2000. - Т. 2, №1. - С. 67-74.

2. Біліченко Н.О., Захарченко С.М., Азаров О.Д. Дослідження похибок самокаліброваних АЦП на основі надлишкових позиційних систем числення // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 1999. - №6. - С. 59-63.

3. Біліченко Н.О. Дослідження динамічних характеристик АЦП з перерозподілом заряду // Реєстрація, зберігання та обробка даних. - 1999. - Т.1, №6. - С. 78-83.

4. Захарченко С.М., Біліченко Н.О. Високоточні АЦП з перерозподілом заряду на основі НПСЧ // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2000. - №4. - С. 65-67.

5. Біліченко Н.О. Особливості проектування високоточних самокаліброваних АЦП з перерозподілом заряду на основі надлишкових позиційних систем числення // Реєстрація, зберігання та обробка даних. - 2000. - Т.2, №4. - С. 38-47.

6. Azarov A.D., Bilichenko N.A., Zakharchenko S.M. Improvement of the Characteristics of Analog-to-Digital Converters of Methods of Information Redundancy // Development and Application Systems. Conf. Session. - Suceava (Romania). - 2000. - P. 47-51.

7. Захарченко С.М., Біліченко Н.О., Азаров О.Д. Нові методи цифрового самокалібрування для АЦП з перерозподілом заряду // Зб. праць міжнародної науково-технічної конференції «Приборостроение - 2000». - Вінниця - Симеіз. - 2000. - С. 233-237.

Размещено на Allbest.ru