Методи та засоби логарифмічного аналого-цифрового перетворення

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Мичуда Зиновій Романович

УДК 681.335 (088.8)

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ЛОГАРИФМІЧНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Львів - 2002

Дисертацією є рукопис

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

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Дудикевич Валерій Богданович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Автоматика та телемеханіка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Романов Володимир Олександрович, Інститут кібернетики НАН України, м. Київ, завідувач відділу перетворювачів форми інформації

доктор технічних наук, професор Азаров Олексій Дмитрович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри обчислювальної техніки

доктор технічних наук, професор Сопрунюк Петро Маркіянович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка, м. Львів, завідувач відділу електричних вимірювань фізичних величин

Провідна установа:

Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики” (НВК ”КІА”) Міністерства промислової політики України (м. Київ), ДНВП “Автоматизовані інформаційні системи та технології”

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

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Луцик Я.Т.

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Швидкий розвиток останнім часом комп'ютеризованих систем управління та цифрових засобів обробки інформації сприяв появі значного числа різноманітних аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), які безсумнівно є найнеобхіднішою ланкою, оскільки забезпечують зв'язок цифрових засобів і систем з реальними об'єктами,- зауважимо, що інформація про стан об'єктів переважною більшістю давачів (понад 90%) подається в аналоговій формі. При цьому особливу увагу привертають АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення, які дозволяють ефективно розв'язати ряд таких важливих задач як стиснення динамічного діапазону вхідних сигналів, забезпечення сталого значення відносної похибки перетворення, лінеаризацію характеристик перетворення і можливість виконання операцій логарифмічної арифметики. Останнє значно підвищує швидкодію, оскільки такі довготривалі в комп'ютеризованих системах операції як множення та ділення виконуються у логарифмічній арифметиці як швидкі операції додавання та віднімання, - це особливо важливо для систем реального часу таких як системи керування технологічними процесами та рухом роботів, телекомунікаційні, аеронавігаційні, космічні та інші, в яких затримка в обробці інформації має бути зведена до мінімуму.

Характеристики засобів і систем керування у значній мірі залежать від характеристик застосованих у них АЦП і, насамперед, від точності та швидкодії АЦП. Тому підвищення вказаних характеристик АЦП було і є головним напрямком досліджень багатьох наукових шкіл, зокрема: А.І. Кондалева, Б.Й. Швецького, П.П. Орнатського, І.П. Клісторіна, Е.І. Гітіса, О.П. Стахова та ін.

На даний час в лінійних АЦП отримані високі характеристики, а в логарифмічних і квазілогарифмічних АЦП (ЛАЦП і КЛАЦП) вони значно гірші:

- КЛАЦП з логарифматором на розряднім RC-колі чи на p-n переході напівпровідникового елемента забезпечують клас точності не краще 0,6 і час перетворення порядку десятків мілісекунд;

- ЛАЦП на резистивних матрицях мають клас точності до 0,5 і час перетворення порядку десятків мікросекунд;

- ЛАЦП на інтеграторах мають клас точності до 0,5 і час перетворення декілька десятків мілісекунд.

Нагадаємо для порівняння, що найбільш поширені лінійні АЦП забезпечують клас точності 10-12 двійкових розрядів (тобто 0,1-0,025) при часі перетворення порядку десятків мікросекунд, а швидкодіючі - 6-8 двійкових розрядів при часі перетворення біля десяти наносекунд.

Можливості відомих принципів і методів логарифмічного аналого-цифрового перетворення при сучасному стані технології інтегральних схем вичерпані фактично повністю і для подальшого підвищення точності та швидкодії ЛАЦП необхідне або створення нових технологій, що вимагає значних капіталовкладень і малоймовірне, або розроблення нових принципів і методів перетворення.

Тому, актуальною науково-прикладною проблемою, що розв'язується в дисертаційній роботі, є розроблення нових принципів, методів і засобів логарифмічного аналого-цифрового перетворення з підвищеною точністю та швидкодією. логарифмічний аналоговий цифровий перетворення

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт за планом Міністерства освіти і науки України: "Перетворювачі інформації для систем комплексної автоматизації" (1994-1995 р. № держ. реєстр. 194U029636); "Швидкодіючі перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем" (1996-1997 р. № держ. реєстр. 0196U000181); "Високоточні перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем" (1998-1999 р. № держ. реєстр. 0198U002350); "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 р. № держ. реєстр. 0102U001206), а також - за планом госпдоговірних науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка”: "Розробка оптимальних схемних рішень і математичного забезпечення мікропроцесорної системи з блоком живлення для пірометрів повного і часткового випромінювання" (тема 3789 з НВО "Термоприлад", 1982 р.); "Розробка аналогової та мікропроцесорної системи інфрачервоного переносного пірометра часткового випромінювання на базі мікропотужних мікропроцесорних наборів" (тема 3789 з СКБ "Мікроприлад" м.Львів, 1983-1985 р.); "Оптимізація схемотехнічних рішень мікропроцесорного переносного інфрачервоного пірометра з використанням нової елементної бази, розробка методів і створення засобів діагностики вузлів електронної схеми пірометра при їх виробництві" (тема 4320 з СКБ МП м.Львів, 1986-1989 р.); "Розробка засобів відладки та тестування для вузлів і блоків мікропроцесорного пірометричного перетворювача ПВ-6" (тема 4714 з Кам'янець-Подільським приладобудівним заводом, 1988 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розроблення принципів, методів і засобів логарифмічного аналого-цифрового перетворення з підвищеною точністю та швидкодією, а також - їх математичного (основ теорії та моделювання) і апаратного забезпечення.

У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:

1. Критичний аналіз, означення параметрів і характеристик, вироблення критеріїв оцінки точності АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення.

2. Покращання метрологічних характеристик інтегруючих ЛАЦП, як найбільш точних серед відомих ЛАЦП, шляхом удосконалення їх вузлів із застосуванням структурних методів корекції похибок.

3. Пошук нових принципів логарифмічного аналого-цифрового перетворення, перспективних для підвищення точності та швидкодії.

4. Розробка нових концепцій і теоретичних засад логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, на основі комутованих конденсаторів, як найбільш перспективних компонентів сучасних гібридних інтегральних схем.

5. Подальший розвиток теорії електростатики в області лінійних конденсаторних систем.

6. Створення нових ЛАЦП, які на відміну від існуючих ЛАЦП дозволили б реалізувати логарифмічне перетворення за методами порозрядним, зчитування та змінною основою логарифму для забезпечення точності і швидкодії типової для лінійних АЦП, але при значно ширших функціональних можливостях.

7. Розробка фізичних моделей ЛАЦП на комутованих конденсаторах і їх математичних моделей, дослідження цих моделей методом обчислювального експерименту з метою визначення основних параметрів і характеристик.

8. Виявлення джерел похибок, встановлення їх впливу на процес перетворення і розробка методів компенсації похибок.

9. Розробка нових структурних, функціональних і принципових схем ЛАЦП на комутованих конденсаторах, їх фізичне моделювання та оптимізація.

10. Розробка на основі запропонованих ЛАЦП на комутованих конденсаторах нових засобів з підвищеними технічними показниками для потреб автоматики, обчислювальної техніки, інформаційно-вимірювальної техніки, систем обробки та передачі інформації і інших суміжних галузей науки та техніки.

11. Впровадження результатів роботи у промисловість і навчальний процес.

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

Предмет дослідження - принципи, методи та засоби логарифмічного аналого-цифрового перетворення з підвищеною точністю і швидкодією.

Методи досліджень. У роботі використовувалися методи теорії лінійних електричних кіл, диференціальних рівнянь і функцій комплексної змінної, методи імітаційного моделювання та теорії похибок.

Наукова новизна отриманих результатів. Започатковано і розроблено новий напрям логарифмічного аналого-цифрового перетворення, а саме - на комутованих конденсаторах. У відповідності з цим у дисертації:

Доведено нову теорему електростатики - теорему про еквівалентність лінійних електростатичних систем, використання якої суттєво спрощує дослідження конденсаторних систем і значно зменшує об'єм обчислювальних робіт.

Вперше запропоновано нові принципи логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема, на основі явищ перерозподілу, накопичення та перерозподілу-накопичення заряду у комутованих конденсаторах.

На основі запропонованих нових принципів вперше реалізовано такі методи логарифмічного аналого-цифрового перетворення як зчитування, порозрядний, рекурентний, із змінною основою логарифму, слідкуючий.

Розроблено теоретичні засади логарифмічного аналого-цифрового перетворення на комутованих конденсаторах, на основі чого створено математичні моделі та нові структури ЛАЦП, які суттєво перевершують за точністю і швидкодією відомі ЛАЦП, причому за цими параметрами зрівнються з лінійними АЦП, але значно переважають лінійні АЦП за функціональними можливостями.

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

Запропоновано математичні моделі похибок ЛАЦП з перерозподілом заряду і ЛАЦП з накопиченням заряду у пасивних і в активних конденсаторних комірках, які дозволяють аналітично оцінити точність ЛАЦП.

Одержали подальший розвиток методи покращання метрологічних характеристик інтегруючих ЛАЦП, що грунтуються на удосконаленні їх вузлів із застосуванням структурної корекції похибок.

На основі розроблених методів логарифмічного аналого-цифрового перетворення на комутованих конденсаторах запропоновано нові принципи побудови та структури різних перетворювачів типу логарифм-антилогарифм підвищеної точності та з розширеними функціональними можливостями, зокрема, аналогових і аналого-цифрових багатофункціональних перетворювачів, причому вперше реалізовано число входів перетворювачів десятки-сотні навідміну від всього трьох-чотирьох входів у відомих аналогічних перетворювачах.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- застосування нової теореми про еквівалентність лінійних електростатичних систем і її наслідку дозволяє значно зменшити об'єми обчислювальних робіт і витрати часу при проектуванні ЛАЦП на комутованих конденсаторах;

- розроблено нові методи логарифмічного аналого-цифрового перетворення та нові класи логарифмічних АЦП, зокрема, ЛАЦП зчитування, порозрядні та ЛАЦП із змінною основою логарифму, які значно перевершують відомі ЛАЦП за точністю і швидкодією;

- розроблено ЛАЦП послідовної лічби з перерозподілом і з накопиченням заряду у комутованих конденсаторах, які можуть служити базовими структурами як, власне, складніших ЛАЦП, так і інших засобів на основі логарифматорів;

- розроблені математичні моделі дозволяють прогнозувати характеристики та параметри різних класів ЛАЦП на комутованих конденсаторах в процесі їх проектування;

- створено ряд нових структур засобів на основі логарифматорів, зокрема, перетворювачів ємності, перетворювачів параметрів змінних напруг, аналогових і аналого-цифрових функціональних перетворювачів, які порівняно з відомими мають вищу точність і розширені функціональні можливості;

- дано рекомендації щодо реалізації різних класів ЛАЦП на комутованих конденсаторах і засобів на їх основі;

- покращено точність і швидкодію інтегруючих ЛАЦП, що розширює область їх практичного використання.

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 1981 р. по 2002 р.

Під керівництвом і за участю автора розроблені та впроваджені:

- комплекс засобів аналого-цифрового перетворення для переносних і стаціонарних пірометрів повного та часткового випромінювання, зокрема, аналого-цифрові перетворювачі, вимірювальні перетворювачі напруга-частота, підсилювачі постійного струму (напруги), пікові детектори та інші (тема №3789 за 1982 р. з НВО "Термоприлад" м. Львів; теми №3789 за 1983-1985 р. і №4320 за 1986-1989 р. з СКБ "Мікроприлад" м. Львів; тема №4714 за 1988 р. з Кам'янець-Подільським приладобудівним заводом);

- ряд нових класів логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів на комутованих конденсаторах (НДР, що фінансувалися з 1994 р. по 2002 р. за рахунок держбюджету, а саме - Міністерства освіти і науки України):

1) ЛАЦП послідовної лічби зі спадною розгорткою (№ держреєстрації 194U029636);

2) ЛАЦП порозрядного кодування (№ держреєстрації 194U029636);

3) ЛАЦП послідовної лічби зі ступінчато наростаючою розгорткою (№ держреєстрації 0196U000181);

4) інтерполяційні ЛАЦП (№ держреєстрації 0196U000181);

5) піддіапазонні ЛАЦП (№ держреєстрації 0102U001206);

6) ЛАЦП з накопиченням заряду (№№ держреєстрації 0198U002350 і 0100U000482);

- нові класи функціональних перетворювачів, зокрема аналогові та аналого-цифрові багатофункціональні перетворювачі на комутованих конденсаторах (№№ держреєстрації 0196U000181 і 0198U002350);

- новий клас аналогових перемножувачів - аналогові перемножувачі з подвійною частотною модуляцією (№ держреєстрації 0196U000181).

Використані у розробках пристрої захищені авторськими свідоцтвами СРСР і патентами України.

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

Матеріали дисертації впроваджені також у навчальний процес у Національному університеті "Львівська політехніка" в лекційних заняттях в курсах "Основи проектування та САПР" і "Програмно-технічні засоби автоматизації вимірювань, контролю та діаганостики". Розроблені за пропозицією та під керівництвом автора лабораторні макети для вивчення принципів побудови засобів логарифмічного аналого-цифрового перетворення використовуються в лабораторіях кафедри автоматики та телемеханіки.

У розробленому в дисертації науковому напрямку під керівництвом автора успішно здійснюється науково-дослідна робота студентів і аспірантів. Наукові роботи студентів неодноразово нагороджувалися дипломами і відзначалися почесними грамотами на всесоюзних і республіканських конкурсах кращих студентських робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідалися і обговорювалися на 9 міжнародних, 2 всесоюзних і 6 українських науково-технічних конференціях і різних семінарах.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 70 друкованих праць, у тому числі монографія [174], навчальний посібник [192], 26 наукових статей у фахових виданнях [102,103,122-125,159,168,169,175-191], 9 матеріалів науково-технічних конференцій [105,116,126-128,193, 194,266,267], 15 авторських свідоцтв СРСР [99,100,203-215], 2 патенти [218,219] та 3 заявки [216,217,220] України.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані дисертантом самостійно. У роботах, які опубліковані у співавторстві, дисертанту належать постановка задач, концепції та принципи побудови, розробка математичних моделей, основні математичні викладки, постановка чисельного експерименту, аналіз результатів.

Долею участі співавторів було більш детальне опрацювання задач, що розв'язувалися, розробка програмного забезпечення та виконання розрахунків.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків, викладених на 360 сторінках друкованого тексту, в тому числі 107 рисунків на 32 сторінках і 2 таблиці на 2 сторінках, а також - переліку цитованої літератури із 272 найменувань на 23 сторінках і додатків на 35 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглянуто практичну цінність, реалізацію та впровадження результатів роботи. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

Перший розділ присвячено загальним питанням логарифмічного аналого-цифрового перетворення, зокрема: розглянуто форми подання результату, дано означення параметрів і характеристик, вироблено критерії оцінки точності, проведено класифікацію та порівняльний аналіз АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення, сформульовано задачі дослідження.

Похибка квантування () або відносна похибка перетворення для логарифмічних АЦП

, тобто =const. (1)

Тут - основа логарифму.

Ця формула є справедливою для всіх типів ЛАЦП: як для ЛАЦП зі спадною розгорткою компенсаційної напруги, так і для ЛАЦП - з наростаючою розгорткою.

Класифікація АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення може бути проведена за такими ознаками як відносна похибка перетворення, структурна реалізація, принцип перетворення чи базовий елемент, використана зразкова міра чи спосіб її відтворення, алгоритм роботи.

Вибравши за головну класифікаційну ознаку характер відносної похибки перетворення, поділимо АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення на два види: логарифмічні (ЛАЦП) і квазілогарифмічні (КЛАЦП).

У ЛАЦП відносна похибка перетворення має стале значення у всьому динамічному діапазоні вхідних сигналів = const, а у КЛАЦП - змінюється із зміною значення вхідного сигналу = var.

Підкреслимо, вираз = const свідчить про те, що ЛАЦП перетворюють з одинаковою точністю і великі, і малі сигнали,- тоді як у КЛАЦП і лінійних АЦП точність падає пропорційно зменшенню вхідного сигналу.

Стале значення відносної похибки перетворення у всьому динамічному діапазоні вхідних сигналів є одною з найважливіших переваг ЛАЦП над КЛАЦП і лінійними АЦП.

У структурній схемі ЛАЦП неможливо виділити окремо логарифмічний перетворювач (ЛП) чи АЦП.

Структурна ж схема КАЦП містить: 1) аналоговий ЛП на вході та лінійний АЦП на виході або 2) лінійний АЦП на вході та цифровий ЛП на виході.

Особливості структурної реалізації у значній мірі визначають властивості АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення.

КЛАЦП з лінійним АЦП на вході використовуються рідко через вузький динамічний діапазон вхідних сигналів, характерний для лінійних АЦП.

Аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічною характеристикою перетворення зручно класифікувати за принципом перетворення чи базовим елементом, зокрема, можна поділити:

а) КЛАЦП на чотири класи: 1) на p-n переході напівпровідникового діода чи транзистора; 2) на розрядному RC-колі; 3) з позиційним кодером-логарифматором; 4) з число-імпульсним кодером-логарифматором;

б) ЛАЦП на три класи: 1) на сітці резисторів; 2) на інтеграторі; 3) на комутованих конденсаторах.

Класифікація ЛАЦП наведена рис.1, де товстими лініями виділено запропоновані нами нові класи ЛАЦП.

Порівняльний аналіз АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення. З проведеного огляду витікає наступне:

1. Логарифмічні АЦП на відміну від лінійних і квазілогарифмічних забезпечують стале значення відносної похибки квантування у всьому динамічному діапазоні вхідних сигналів, тобто перетворюють з одинаковою точністю і великі, і малі сигнали.

2. До логарифмічних АЦП належать перетворювачі інтегруючі та з резистивними сітками. Суттєвим недоліком інтегруючих ЛАЦП є те, що час інтегрування має бути великим, оскільки навіть при використанні найкращих компенсаційних ПНЧ із збільшенням частоти вище 10 кГц значно зростають похибки перетворення (так при похибці перетворення 0,5% час перетворення досягає декількох десятків мілісекунд). Найкращі ЛАЦП на сітці резисторів R-2R типу AD7111 фірми Analog Devices забезпечують у динамічному діапазоні 85,5 дБ похибку перетворення 0,5%.

3. У квазілогарифмічних АЦП відносна похибка квантування змінюється зі зміною значення вхідного сигналу так, як і у лінійних АЦП, внаслідок чого їх треба оцінювати за точністю зведеною похибкою перетворення.

4. До квазілогарифмічних АЦП відносяться АЦП з логарифмічною характеристикою перетворення, в структурі яких можна виділити окремо лінійний АЦП.

5. Квазілогарифмічні АЦП на p-n переході напівпровідникового діода чи транзистора або розрядному RC-колі мають широкий динамічний діапазон вхідних сигналів, характерний для логарифмічних АЦП. Клас точності КЛАЦП на p-n переході напівпровідникового елемента при сучасній інтегральній технології не може бути кращим класу точності 0,6. За рахунок впливу значного числа дестабілізуючих факторів і неідеальності компонентів похибка перетворення КЛАЦП із розрядним RC-колом не може бути меншою 0,5%.

6. Квазілогарифмічні АЦП з цифровим логарифматором мають вузький діапазон вхідних сигналів, характерний для лінійних АЦП.

Проведений аналіз методів та засобів логарифмічного аналого-цифрового перетворення:

виявив, що відомі ЛАЦП і КЛАЦП значно поступаються за точністю і швидкодією лінійним АЦП, внаслідок чого їх використовують лише там, де вхідні сигнали змінюються в широкому динамічному діапазоні, 80 дБ і більше;

показав, що необхідна розробка ЛАЦП, які за основними метрологічними властивостями не поступалися б лінійним АЦП, оскільки значно ширші функціональні можливості ЛАЦП і, передусим, можливість проведення операцій в логарифмічній арифметиці дозволили б значно підвищити точність і швидкодію сучасних комп'ютеризованих систем управління, обчислювальної та інформаційно-вимірювальної техніки, систем збору й обробки інформації та ін.;

слугував основою постановки задач досліджень дисертаційної роботи.

У другому розділі запропоновано нові принципи та методи логарифмічного аналого-цифрового перетворення, а саме - на комутованих конденсаторах, і виведено основні математичні співвідношення, що їх описують.

Розроблено теоретичні засади логарифмічного аналого-цифрового перетворення на комутованих конденсаторах, на основі чого створено математичні моделі та нові структури ЛАЦП, які суттєво перевершують за точністю і швидкодією відомі ЛАЦП, причому за цими параметрами зрівнюються з лінійними АЦП, але значно переважають лінійні АЦП за функціональними можливостями.

На основі запропонованих нових принципів вперше реалізовано такі методи логарифмічного аналого-цифрового перетворення як зчитування, порозрядний, рекурентний і зі змінною основою логарифму.

Нові принципи логарифмічного аналого-цифрового перетворення базуються на явищах у комутованих конденсаторах, зокрема:

- перерозподілу заряду;

- накопичення заряду;

- сукупності перерозподілу та накопичення заряду.

Показано, що у пасивних конденсаторних комірках ЛАЦП може відбуватися як перерозподіл, так і накопичення заряду, а в активних комірках - лише накопичення заряду, причому на пасивних комірках можна реалізувати лише спадну розгортку компенсаційної напруги, а на активних - як спадну, так і наростаючу.

ЛАЦП на комутованих конденсаторах дозволяють реалізувати будь-яке значення основи логарифму (), причому для пасивних конденсаторних комірок значення лежить у межах 0<<1, а для активних комірок - як 0<<1, так і >1; розгортка компенсаційної напруги ЛАЦП спадна при <1 і наростаюча при >1.

Принцип логарифмічного аналого-цифрового перетворення на основі перерозподілу заряду полягає в тому, що шляхом відбору від накопичуючого конденсатора дозованих кількостей електрики забезпечуємо зміну компенсаційної напруги (напруги на накопичуючому конденсаторі) за показниковим законом до моменту рівності її вхідній напрузі та підраховуємо число дозувань (N), яке і буде логарифмом відношення вхідної напруги (U_ВХ) до опорної напруги (U_О), причому значенню останньої завжди рівне початкове значення компенсаційної напруги. Вихідний код ЛАЦП з ПЗ є число-імпульсним і значення його пропорційне логарифму відношення вхідної напруги до опорної:

, (2)

де ; С_Н - ємність накопичуючого конденсатора; С_Д - ємність дозуючого конденсатора; причому С_Д<<С_Н.

Перевагами запропонованого нами методу логарифмічного аналого-цифрового перетворення на основі перерозподілу заряду над відомими є: вища точність (при одинаковій швидкодії); можливість одержання будь-якої основи логарифму (шляхом зміни співвідношення між ємностями С_Д і С_Н); природне подання результату перетворення у цифровому виглядi; бiльша технологiчність в умовах серiйного виробництва.

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення на основі накопичення заряду можна реалізувати за допомогою активних або пасивних конденсаторних комірок. У перших між комутованими конденсаторами вводимо активний елемент - масштабний перетворювач, а у других такого елементу не буде.

Принцип логарифмічного аналого-цифрового перетворення на основі накопичення заряду в пасивних конденсаторних комірках полягає в тому, що збільшуємо заряд накопичуючого конденсатора дозованими кількостями електрики і цим забезпечуємо зміну компенсаційної напруги (напруги на накопичуючому конденсаторі) за показниковим законом до моменту рівності її вхідній напрузі та підраховуємо число дозувань (), причому початкове значення компенсаційної напруги рівне нулю:

.

Наявність одиниці під знаком логарифма свідчить про похибку невідповідності логарифму і ця похибка є значною, оскільки .

З метою виключення цієї похибки нами запропоновано порівнювати компенсаційну напругу не з вхідним сигналом U_ВХ, а з різницею . Тоді значення вихідного коду ЛАЦП з НЗ у пасивних конденсаторних комірках повністю збігається з виразом (2).

Принцип логарифмічного аналого-цифрового перетворення на основі накопичення заряду в активних конденсаторних комірках полягає у зміні рівнів напруги на накопичуючих конденсаторах шляхом почергового підключення одного з них до входу, а другого - до виходу масштабуючого перетворювача і потім - навпаки, внаслідок чого забезпечуємо зміну компенсаційної напруги за показниковим законом до моменту рівності її вхідній напрузі та підраховуємо число переключень (N), причому початкове значення компенсаційної напруги рівне нулю.

Значення вихідного коду ЛАЦП з НЗ в активних конденсаторних комірках рівне

, (3)

де - коефіцієнт передачі напруги масштабуючого перетворювача, який може приймати значення . При розгортка компенсаційної напруги ЛАЦП - наростаюча, а при - спадна.

Перевагою цього методу перетворення є: 1) менші значення ємностей накопичуючих конденсаторів, порівняно з попередніми методами, що робить схеми ЛАЦП більш технологічними у виготовленні; 2) можливість реалізації слідкуючих ЛАЦП за рахунок двосторонньої розгортки компенсаційної напруги.

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення на основі накопичення заряду з імпульсним зворотним зв'язком дозволяє мінімізувати кількість накопичуючих конденсаторів, необхідних для перетворення, до одного.

Принцип дії ЛАЦП із від'ємним зворотним зв'язком полягає у наступному. Початково накопичуючий конденсатор заряджається до рівня опорної напруги U_o. Потім у кожному такті накопичуючий конденсатор розряджається струмом перетворювача напруга-струм (ПНС), що перетворює у струм напругу, яка поступає з цього ж накопичуючого конденсатора; при цьому тривалість розряду у кожному такті є сталою. Результат перетворення буде рівним

, (4)

де - основа логарифму, причому = ; Y - коефіцієнт перетворення перетворювача напруга-струм ПНС; t - тривалість часу розряду, протягом якого замкнутий ключ К1; С - ємність накопичуючого конденсатора.

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення за методом зчитування.

Для побудови паралельних логарифмічних АЦП такий дільник напруги, як у лінійних АЦП, не придатний, оскільки крок квантування є змінним і два сусідні рівні (еталонні напруги) повинні відрізнятися у разів (тут - основа логарифму), тобто два сусідні резистори дільника повинні відрізнятися у разів. Дільник з різними значеннями опорів є нетехнологічним через виникнення значних похибок еталонних напруг, внаслідок відхилення опорів резисторів дільника від номінального значення при інтегральному виготовленні перетворювача.

Ця проблема вирішена нами шляхом побудови дільника напруги з одинакових структурних блоків. Такий дільник містить ємності лише трьох значень: ; і , що вперше робить можливим виготовлення паралельних ЛАЦП у вигляді інтегральних схем.

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення за рекурентним методом.

Сутність логарифмічного аналого-цифрового перетворення за рекурентним методом полягає у тому, що з метою спрощення реалізації та підвищення швидкодії ЛАЦП періодично порівнюємо вхідний сигнал з рядом еталонних рівнів (з яких будь-які два сусідні відрізняються в разів), для створення якого використовуємо результат попереднього порівняння, а значення розрядів вихідного коду задаємо як рівні відповідним результатам порівняння з кожним рядом.

Опорна напруга U_o підводиться через замкнутий ключ К0 до дільника напруги, у вузлах якого формуються еталонні напруги U₁-U_n. Кількість еталонних напруг рівна числу розрядів (n) ЛАЦП, причому:

; ; ;… i . (5)

Напруга в останньому вузлі дільника матиме значення, що буде рівне добуткові опорної напруги і вагових коефіцієнтів тих вузлів, при підключенні яких до компаратора було перевищення рівня вхідного сигналу:

, (6)

де - коефіцієнт, що приймає в кожному і-такті перетворення значення 1 або 0 відповідно до стану компаратора 1 або 0.

Таким чином, на момент закінчення перетворення компенсаційний сигнал рівний вхідному з похибкою, що не перевищує значення .

Результат перетворення рівний кодові (N)

(7)

і є пропорційний логарифму відношення вхідного сигналу до опорного згідно з виразом (1).

Вагові коефіцієнти окремих вузлів дільника напруги можна задати за двійковим законом, тобто як степеневі функції за основою два, і таким чином забезпечити подання результату перетворення N у вигляді двійкового коду, що зручно для запису його у регістри зберігання та подальшої обробки.

Отже, запропонований автором принцип логарифмічного аналого-цифрового перетворення за рекурентним методом забезпечує типові для порозрядних ЛАЦП метрологічні характеристики і високу технологічність ЛАЦП, що дозволяє реалізацію рекурентних ЛАЦП у вигляді інтегральних схем.

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення зі зміною основи логарифму. Використання нових явищ, а саме, перерозподілу заряду та накопичення заряду у комутованих конденсаторах, для логарифмічного аналого-цифрового перетворення дозволяє суттєво покращати техніко-економічні показники перетворювачів. У цьому аспекті особливої уваги заслуговує те, що як перерозподіл, так і накопичення заряду забезпечують можливість отримання будь-якого значення основи логарифму.

Запропоноване автором логарифмічне аналого-цифрове перетворення зі зміною основи логарифму дозволяє значно підвищити точність і швидкодію перетворювачів. Сутність цього методу полягає у наступному.

Розбиваємо діапазон перетворення на m-піддіапазонів і формуємо компенсаційну напругу U_K на кожному с-піддіапазоні () за показниковим законом

, (8)

де n_c - число дозувань на с-піддіапазоні; - початкове значення напруги на с-піддіапазоні.

На кожному піддіапазоні компенсаційну напругу змінюємо від початкового рівня до моменту переходу її через рівень вхідного сигналу. Зауважимо, що початковий рівень на першому піддіапазоні рівний опорному, тобто .

Число дозувань на с-піддіапазоні пропорційне логарифму вхідної напруги

. (9)

Абсолютна похибка перетворення на с-піддіапазоні рівна різниці між передостаннім рівнем компенсаційної напруги і вхідним сигналом

. (10)

Відносна похибка перетворення на с-піддіапазоні залежить від значення основи логарифму на цьому піддіапазоні:

. (11)

Цю похибку зменшуємо на наступному піддіапазоні шляхом зміни значення основи логарифму так, щоб зменшувалася за абсолютним значенням різниця між основою логарифму та одиницею, тобто забезпечуємо умову:

або . (12)

Чим більше відрізняється основа логарифму від одиниці, тим більша похибка перетворення і більший крок квантування, проте менше число кроків.

Значення ваги с-піддіапазону треба вибирати за формулою

, (13)

де а - будь-яке додатне число, яке повинно бути більшим від одиниці;

m - номер останнього піддіапазону.

Від значення ваги с-піддіапазону залежить і значення основи логарифму цього піддіапазону.

Результат перетворення знаходимо як алгебраїчну суму добутків числа дозувань і ваги на кожному піддіапазоні.

Відносна похибка перетворення матиме значення

. (14)

Час перетворення буде рівний

, (15)

де - період повторення тактових імпульсів.

Наприклад, при заданні ваг піддіапазонів за десятковою системою (а=10) число дозувань на кожному піддіапазоні не перевищуватиме десяти (), що для чотирьох діапазонів перетворення забезпечує час перетворення , тобто час перетворення зменшується порівняно з послідовними ЛАЦП у десятки-сотні разів (при цій же точності).

Логарифмічне аналого-цифрове перетворення зі зміною основи логарифму може бути проведене з:

- односторонньою розгорткою компенсаційної напруги або

- двосторонньою розгорткою компенсаційної напруги.

Результат перетворення при односторонній розгортці знаходимо як суму добутків числа дозувань і ваги на кожному піддіапазоні за формулою:

або . (16)

Результат перетворення при двосторонній розгортці знаходимо як алгебраїчну суму добутків числа дозувань і ваги на кожному піддіапазоні:

або . (17)

Збільшуючи вагу піддіапазону і задаючи відповідне значення основи логарифму на с-піддіапазоні, зменшуємо число дозувань n_c, тобто підвищуємо швидкодію логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів.

Збільшуючи число піддіапазонів, збільшуємо точність перетворення.

Порозрядне логарифмічне аналого-цифрове перетворення зі зміною основи логарифму. Сутність запропонованого нами порозрядного перетворення полягає у тому, що з метою підвищення точності та швидкодії перетворення у кожному наступному розряді змінюється значення основи логарифму і компенсаційна напруга відтворюється як добуток опорної напруги на значення основ логарифму тих розрядів, у яких результат порівняння компенсаційної та вхідної напруг був рівний або більший одиниці.

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

, (18)

де N_н - номінальне значення вихідного коду; , причому і значення залежить від потрібної точності.

Коефіцієнт задає значення дискретних приростів коефіцієнта передачі масштабного перетворювача РМП; його можна визначити, виходячи з номінального значення вихідного коду N_н за формулою

, (19)

де D - динамічний діапазон вхідних сигналів, що рівний відношенню максимального значення вхідної напруги до мінімального.

Після поступлення n тактуючих імпульсів напруга на виході РМП матиме значення

, (20)

де - коефіцієнт, що приймає в кожному і-такті перетворення значення 1 або 0 відповідно до стану компаратора 1 або 0.

Якщо , то n+1 тактуючим імпульсом у регістрі результату РР буде записане двійкове число (N), пропорційне логарифму відношення вхідної напруги U_вх до опорної U_o:

. (21)

Третій розділ присвячено дослідженню принципів побудови та розробці основних вузлів ЛАЦП, зокрема, конденсаторних комірок, аналогових ключів, підсилювачів і компараторів, пікових детекторів і схем вибирання-зберігання, масштабуючих вузлів (дільників та помножувачів частоти) і проміжних вимірювальних перетворювачів (напруга-частота та напруга-струм). Запропоновано оригінальні вузли, більшість з яких захищена авторськими свідоцтвами, проведено їх аналіз і отримано математичні вирази, що дозволяють визначити основні характеристики та параметри цих вузлів.

У пасивних конденсаторних комірках може мати місце як явище перерозподілу заряду, так і явище накопичення заряду. Суттєвим з точки зору реалізації комірок є те, що у пасивних комірках необхідно вибирати конденсатори так, щоб ємність дозуючого конденсатора була набагато меншою від ємності накопичуючого конденсатора.

В активних конденсаторних комірках можливе лише явище накопичення заряду. На відміну від пасивних комірок в активних комірках ємності конденсаторів можуть вибиратися однаковими. Оскільки в активних комірках нема потреби у конденсаторах значної ємності, активні конденсаторні комірки є більш перспективними для ЛАЦП, що розробляються для інтегрального виконання. Щоб не було втрати точності, ємності конденсаторів комірок повинні бути значно більшими паразитних ємностей елементів, підключених безпосередньо до цих конденсаторів.

З метою підвищення швидкодії аналогових ключів, виконаних за компенсаційною схемою на операційних підсилювачах і ключових елементах - польових транзисторах, нами запропоновано заводити 100%-й від'ємний зворотний зв'язок з виходу ОП на його інвертуючий вхід у розімкнутому стані ключа. Проведений аналіз таких ключів показав, що внаслідок впливу паразитних міжелектродних ємностей в них може мати місце втрата стійкості навіть при коефіцієнті передачі напруги ключа рівному одиниці і на виході ключа виникають незгасаючі коливання частотою

.

Наприклад, якщо опір замкнутого ключового елемента R=100 Ом, паразитні ємності затвор-стік і затвор-витік ПТ С=10 пФ і паразитна ємність між інвертуючим входом і виходом операційного підсилювача С_n=10 пФ, то частота f коливань на виході аналогового ключа при ємнісному навантаженні С_Н=0,01; 0,10 чи 1,00 мкФ відповідно f=5,03; 1,59 чи 0,503 МГц.

Для виключення збудження аналогових ключів достатньо ввести у схему ключа найпростішу інтегруючу RC-ланку зі сталою часу у декілька разів більшою за мінімально можливий період цих коливань.

Найбільшу точність забезпечують пікові детектори з ключовими схемами та селектовані. Пікові детектори з ключами порівняно із селектованими мають простішу схему і є більш технологічними для виготовлення, бо не містять індуктивних елементів (трансформаторів). Проте їх недоліком є необхідність синхронізації ключів вхідним сигналом і формування сигналу скидання. Необхідність синхронізації значно ускладнює схему детектора та знижує надійність його роботи, а також обмежує функціональні можливості, оскільки детектор може працювати лише з вхідними сигналами, що періодично повторюються.

З метою подолання згаданих недоліків автором запропоновано метод побудови пікових детекторів з ключовими схемами, який грунтується на використанні особливостей роботи біполярного транзистора без колекторного живлення; при цьому транзистор виконує функції ключів заряду-розряду та керується безпосередньо вхідним сигналом; окрім того, охоплення такого детектора петлею від'ємного зворотного зв'язку за допомогою операційного підсилювача дозволяє значно підвищити лінійність детектора. На основі цього принципу розроблено нові пікові детектори, які порівняно з аналогами мають підвищену в 5-10 разів точність і дозволяють детектувати не тільки періодичні, а й неперіодичні та поодинокі сигнали. Проведено аналіз таких детекторів і отримано їх характеристики перетворення та математичні моделі похибок.

Експериментальні дослідження макетів таких пікових детекторів показали, що їх основна похибка менша 0,025% при зміні амплітуди від 10 мВ до 10 В в діапазоні частот 0 - 100 кГц, а похибка зберігання менша 0,1% за 10 хвилин.

На основі запропонованих автором пікових детекторів можуть бути реалізовані схеми вибирання-зберігання підвищеної точності. Для цього достатньо на вході пікового детектора включити перекидний ключ, який після закінчення імпульсу вибирання закорочував би вхід пікового детектора на спільну шину, що забезпечувало б роботу схеми у режимі зберігання. Підвищенню точності такого пристрою вибирання-зберігання сприяє і те, що ключі вибирання режиму роботи не зв'язані безпосередньо з запам'ятовуючим конденсатором С, внаслідок чого виключається проникнення напруги управління через паразитні міжелектродні ємності на конденсатор С.

Найбільш ефективним способом зменшення напруги зміщення та її дрейфу у підсилювачах постійної напруги є використання принципу модуляція-демодуляція. У кращих МДМ-підсилювачах напруга зміщення нуля та її дрейф знижені відповідно до значень одиниць мікровольт і сотих часток мікровольт/градус. Загальним недоліком МДМ-підсилювачів є низька швидкодія, оскільки частота імпульсів модуляції-демодуляції не перевищує 1 кГц.

Для підвищення швидкодії автором запропоновано використати в якості демодулятора МДМ-підсилювача замість фільтра низьких частот піковий детектор. Внаслідок цього значно, у 10 і більше разів, зростає швидкодія МДМ-підсилювача.

З метою спрощення компенсації напруги зміщення компаратора в якості компараторів ЛАЦП на комутованих конденсаторах доцільно використовувати операційні підсилювачі (це не відноситься до паралельних ЛАЦП, в яких таке рішення привело б до зниження швидкодії). Запропоновано ефективний шлях компенсації напруги зміщення компаратора на основі використання переваг інтегральної технології, а саме малих взаємних відхилень параметрів однотипних елементів, виготовлених на одній підкладці (як загально відомо, для активних елементів ці відхилення лежать в межах від 0,1% до 5%, а для пасивних - менші 0,1%). Для цього компаратор виконано на двох операційних підсилювачах, розміщених в одній інтегральній схемі. Перший операційний підсилювач охоплений 100%-м від'ємним зворотним зв'язком за напругою, має коефіцієнт передачі напруги рівний одиниці і створює на інвертуючому вході другого операційного підсилювача напругу компенсації, яка ввімкнена зустрічно до напруги зміщення другого операційного підсилювача і рівна за значенням останній з похибкою в межах 0,15%. Отже, напруга зміщення такого компаратора у 20 і більше разів менша від напруги зміщення використаного в ньому операційного підсилювача.

У послідовних ЛАЦП на комутованих конденсаторах вихідний код є число-імпульсним. Тому для зміни масштабу на виході ЛАЦП треба вводити або дільники частоти, або помножувачі імпульсів.

Запропоновано метод побудови дільників і помножувачів частоти на основі перерозподілу заряду у комутованих конденсаторах, який дозволяє значно (в 10-20 разів порівняно з аналогами) розширити діапазон зміни і спростити зміну коефіцієнта ділення чи множення, а також - забезпечити рівномірність надходження вихідних імпульсів.

Запропоновано та проаналізовано компенсаційний перетворювач напруга-частота із стабілізацією ампер-секундної площі імпульса від'ємного зворотного зв'язку, який має більше ніж у 10 разів вищу швидкодію порівняно з аналогами при однаковій точності і є перспективним для побудови інтегруючих ЛАЦП.

Четвертий розділ присвячено дослідженню методів аналізу та математичного моделювання ЛАЦП на комутованих конденсаторах.

Методи аналізу схем на комутованих конденсаторах, в яких використовуються явища перерозподілу та накопичення заряду, розвинуті недостатньо - вони зводяться фактично до використання відомих методів електростатики, оскільки апріорі вважається, що перехідні процеси у схемі закінчуються протягом часу кожного перерозподілу чи накопичення. При врахуванні великої кількості паразитних міжелектродних ємностей компонентів схеми (і в першу чергу аналогових ключів) задача аналізу ЛАЦП на комутованих конденсаторах набуває значної складності.

З метою спрощення аналізу ЛАЦП на комутованих конденсаторах і зменшення об'єму обчислювальних робіт автором запропоновано і доведено нову теорему електростатики - теорему про еквівалентність лінійних електростатичних систем.

Означення еквівалентності систем. Еквівалентними системами називатимемо системи, які відповідають на однакові збурення однаковою реакцією.

Формулювання теореми про еквівалентність лінійних електростатичних систем. У лінійних електростатичних системах, кожна з яких містить конденсатори з об'єднаними обкладками і відрізняється від інших систем лише значеннями потенціалів на других обкладках цих конденсаторів, однаковим змінам заряду відповідають однакові зміни потенціалу об'єднаних обкладок.

Наслідок теореми. При зміні заряду лінійної електростатичної системи, що містить конденсатори з об'єднаними обкладками, зміни потенціалу об'єднаних обкладок не залежать від значень потенціалів на других обкладках згаданих конденсаторів.

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 ЛАЦП з перерозподілом заряду, яка відповідає спрощеній функціональній схемі рис.2 і враховує паразитні міжелектродні ємності, наведена на рис.6. Аналізуючи цю модель із допущенням рівності відповідних ємностей ключів , і і , отримаємо математичні моделі похибок ЛАЦП з ПЗ:

1) від безпосередньої зміни ємностей накопичуючого та дозуючого конденсаторів

, де ; ;

0,104 мВ при С_п4 пФ.

2) від проникнення напруги управління

, де ;

= -20 мВ при С_п=1 пФ, -40 мВ при С_п=2 пФ і -80 мВ при С_п=4 пФ.

3) від передачі паразитного заряду

Ключа К2: , де ;

Ключа К1: де

=0,0921 В при С_п=1 пФ, 0,184 В при С_п=2 пФ і 0,368 В при С_п=4 пФ.

10 мВ при С_п=1 пФ, 20 мВ при С_п=2 пФ і 40 мВ при С_п=4 пФ.

4) результуючої похибки від впливу паразитних міжелектродних ємностей

.

= -9,99 мВ при С_п=1 пФ, -20 мВ при С_п=2 пФ і -40 мВ при С_п=4 пФ (при скомпенсованій похибці ).

5) від впливу струмів витікання

,

; ; ;

де ; ; ;

; ; ; .

При і , тобто - Т_т=5 мкс; (N=9215):

0,1 мВ при .

5) від впливу розузгодження ємностей конденсаторної комірки

; ; де ; .

Похибка від розузгодження компенсується в процесі настройки ЛАЦП.

Аналогічно отримуємо математичні моделі похибок ЛАЦП з накопиченням заряду на активній конденсаторній комірці:

від проникнення напруги управління

;

від передачі паразитного заряду

;

3) результуючої похибки від впливу паразитних міжелектродних ємностей

.

Тут ; ; ; ; ; ; ;

; .

= мВ при Сп=1 пФ, -40 мВ при Сп=2 пФ і -80,1 мВ при Сп=4 пФ;

= 10 мВ при Сп=1 пФ, 20 мВ при Сп=2 пФ і 40 мВ при Сп=4 пФ;

= -10 мВ при Сп=1 пФ, -20 мВ при Сп=2 пФ і -40 мВ при Сп=4 пФ.

від впливу струмів витікання

,

; ; ; ;

; ;

; ; .

; ; .

; ; ; ; < 0,553 мв при Тп50 мс.

...