Методи та засоби логарифмічного аналого-цифрового перетворення

, де .

0,1 мВ при С_п 4 пФ.

2) від проникнення напруги управління - збігається з ЛАЦП з ПЗ;

3) від передачі паразитного заряду ключів К1 і К2 - збігаються відповідно з К2 і К1 ЛАЦП з ПЗ;

4) від проникнення опорної напруги

, де

=3,34 мВ при С_п=1 пФ, 6,67 мВ при С_п=2 пФ і 13,3 мВ при С_п=4 пФ.

5) результуюча похибка від впливу паразитних міжелектродних ємностей

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

Трактуючи розроблені ЛАЦП на комутованих конденсаторах як аперіодичну ланку першого порядку, проведено аналіз їх динамічних властивостей і показано, що час перетворення послідовних ЛАЦП на КК при забезпеченні похибки квантування 0,1% не перевищує 20 мс.

Дано оцінку точності ЛАЦП на комутованих конденсаторах і показано, що при використанні високоякісних аналогових ключів (із зменшеними струмами витікання до 0,1 нА і паразитними міжелектродними ємностями до 2 пФ) результуюча похибка перетворення послідовних ЛАЦП на КК не перевищує 0,25% (з урахуванням похибки від квантування 0,1%). Подальше зменшення результуючої похибки перетворення може бути досягнуте використанням більш складних алгоритмів перетворення, які забезпечують зменшення кількості тактів перетворення, наприклад, порозрядного, рекурентного чи із змінною основою логарифму

У п'ятому розділі на основі запропонованих нових принципів і методів логарифмічного аналого-цифрового перетворення розроблено та досліджено оригінальні структурні та функціональні схеми різних класів ЛАЦП на комутованих конденсаторах.

Запропоновано структури послідовних ЛАЦП, що переважають відомі аналоги за точністю та швидкодією і є перспективними для побудови шляхом покращаних алгоритмів перетворення ЛАЦП з підвищеними метрологічними характеристиками.

Запропоновано нові принципи побудови та структури ЛАЦП, які дозволили вперше реалізувати ЛАЦП зчитування, порозрядні, рекурентні, слідкуючі та ЛАЦП із змінною основою логарифму. Запропоновані структури ЛАЦП суттєво перевершують за точністю і швидкодією відомі ЛАЦП, причому за цими параметрами зрівнюються з лінійними АЦП, але значно переважають лінійні АЦП за функціональними можливостями.

Одержали подальший розвиток методи покращання метрологічних характеристик інтегруючих ЛАЦП, що грунтуються на удосконаленні їх вузлів із застосуванням структурної корекції похибок; в результаті їх використання точність розроблених інтегруючих ЛАЦП у порівнянні з відомими була підвищена більше ніж в 5 разів при однаковій швидкодії.

Наведено результати експериментальних досліджень макетних зразків ЛАЦП і рекомендації щодо їх реалізації та покращанню параметрів і характеристик. Експериментальні дослідження ЛАЦП проводилися для діапазону вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10В).

Послідовні ЛАЦП.

Послідовні ЛАЦП із накопиченням заряду в пасивних конденсаторних комірках і з перерозподілом заряду дозволяють отримати лише спадну розгортку компенсаційної напруги і мають практично однакові метрологічні характеристики - основну похибку перетворення (з урахуванням похибки квантування) не більшу 0,25% при часі перетворення до 20 мс.

Послідовні ЛАЦП із накопиченням заряду в активних конденсаторних комірках забезпечують як спадну, так і наростаючу розгортки компенсаційної напруги, а також дозволяють підвищити точність за рахунок зниження впливу ключів на процеси в конденсаторних комірках (їх похибка перетворення була знижена до 0,2%) і зменшити значення ємностей накопичуючих конденсаторів, що робить такі ЛАЦП більш перспективними для інтегрального виконання.

Рекурентні ЛАЦП забезпечують типові для порозрядних ЛАЦП метрологічні характеристики і високу технологічність схеми, що доволяє реалізацію ЛАЦП в інтегральному виконанні.

ЛАЦП із змінною основою логарифму.

Найпростіший інтерполюючий ЛАЦП із змінною основою логарифму реалізує метод грубого та точного вимірювання (два піддіапазони) і, внаслідок значно меншого числа кроків квантування, дозволяє порівняно з послідовними ЛАЦП зменшити майже на порядок інструментальну похибку та збільшити у 50 разів швидкодію.

ЛАЦП із змінною основою логарифму можуть бути реалізовані з односторонньою або двосторонньою розгортками і при збільшенні числа піддіапазонів забезпечують відповідне підвищення точності та швидкодії. Наприклад, при чотирьох піддіапазонах їх похибка квантування не перевищуватиме 0,01% при часі перетворення не більшому 100мкс (40 періодів тактової частоти). Приклад такого ЛАЦП наведено на рис.7. ЛАЦП містить компаратор Км, блок формування показникової функції БФПФ, джерело опорної напруги ДОН, блок керування БУ, лічильник результату ЛР, інформаційним входом перетворювача є перший вхід компаратора.

БФПФ виконаний на тригері Т, п'яти ключах К1 - К5, двох накопичуючих конденсаторах С1 і С2, буферному підсилювачі БП, інвертуючому підсилювачі ІП, групі масштабних перетворювачів ГМП, групі ключів ГК, інформаційні входи яких підключені до відповідних виходів масштабних перетворювачів групи ГМП і виходи об'єднані з другим входом компаратора Км і виходом блоку формування показникової функції БФПФ, тактовим входом якого є лічильний вхід тригера Т.

Блок керування БУ виконаний на одновібраторі ОВ, вхід якого об'єднаний з входом запуску перетворювача, регістрі зсуву РЗ, формувачі імпульсних послідовностей ФІП, помножувачі П, елементі НЕ, двох елементах І (І1 і І2).

Формувач імпульсних послідовностей ФІП виконаний на генераторі імпульсів ГІ і групі дільників частоти ГДЧ.

Помножувач П виконаний на групі елементів збігу (ГЕЗ) та елементі АБО, вихід якого підключений до інформаційного входу лічильника результату ЛР, вхід скидання якого об'єднаний з входом установки регістра РЗ і входом запуску блоку формування показникової функції БФПФ, який об'єднаний з керуючим входом ключа К1 і R-входом тригера Т.

Порозрядні ЛАЦП.

Порозрядні ЛАЦП із змінною основою логарифму з абсолютним поданням результату і поданням результату характеристикою та мантисою забезпечують високу точність () при часі перетворення меншому 100 мкс; їх особливістю є дещо більша похибка перетворення порівняно з лінійними АЦП при однаковім числі розрядів, але зате ця похибка має стале значення у всьому діапазоні, тобто на залежить від вхідного сигналу.

Слідкуючі ЛАЦП є фактично комбінацією ЛАЦП із спадною та ЛАЦП з наростаючою розгорткою; тому їх метрологічні характеристики повністю визначаються властивостями використаних ЛАЦП.

У шостому розділі на основі розроблених методів логарифмічного аналого-цифрового перетворення на комутованих конденсаторах запропоновано нові принципи побудови та структури різних високоефективних перетворювачів типу логарифм-антилогарифм, зокрема: аналогові та аналого-цифрові багатофункціональні перетворювачі (АБФП і АЦБФП) підвищеної точності та з розширеними функціональними можливостями, високоточні перетворювачі параметрів змінних сигналів і параметрів електричних кіл.

Вперше реалізовано число входів АБФП і АЦБФП десятки-сотні навідміну від всього трьох-чотирьох входів у відомих аналогічних перетворювачах.

Запропоновано метод зниження результуючої похибки перетворювачів діючого значення змінних сигналів шляхом реалізації алгоритму перетворення у точній відповідності загальновідомій формулі діючого значення.

Запропоновано метод високоточного перетворення пікового значення як поодиноких, так періодичних і неперіодичних змінних сигналів.

Запропоновано принцип перетворення ємності та опору на основі використання процесів перерозподілу заряду у комутованих конденсаторах.

У висновках сформульовано основні результати дисертаційних досліджень.

Додатки містять розроблені автором програми аналізу ЛАЦП на ЕОМ, результати проведеного математичного моделювання ЛАЦП і акти впровадження результатів дисертаційних досліджень.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

Започатковано і розроблено новий напрям логарифмічного аналого-цифрового перетворення, а саме - на комутованих конденсаторах.

Доведено нову теорему електростатики - теорему про еквівалентність лінійних електростатичних систем, використання якої суттєво спрощує дослідження конденсаторних систем і значно зменшує обсяг 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 і зі змінною основою логарифму.

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 струми витікання та ефекти проникнення напруги управління ключами, проникнення опорної напруги, передачі паразитного заряду затворів ключів і безпосередньої зміни ємностей конденсаторних комірок паразитними ємностями.

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 і динамічні властивості ЛАЦП.

Одержали подальший розвиток методи покращання метрологічних характеристик інтегруючих ЛАЦП, що грунтуються на вдосконаленні їх вузлів із застосуванням структурної корекції похибок; в результаті їх використання точність розроблених інтегруючих ЛАЦП у порівнянні з відомими була підвищена більше ніж в 5 разів при однаковій швидкодії.

Отримані результати дозволили реалізувати ЛАЦП на комутованих конденсаторах, які в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10 В) забезпечували основну похибку і час перетворення відповідно не більші:

0,25% і 20 мс для послідовних ЛАЦП з ПЗ і ЛАЦП з НЗ на пасивних конденсаторних комірках;

0,2% і 20 мс для послідовних ЛАЦП з НЗ на активних конденсаторних комірках;

0,15% і 0,4 мс (в перспективі 0,01% і 100 мкс) для ЛАЦП із змінною основою логарифму;

0,05% і 100 мкс для порозрядних ЛАЦП.

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 (на відміну від всього трьох-чотирьох входів у відомих аналогічних перетворювачах) при основній похибці перетворення меншій 0,15% в діапазоні вхідних сигналів 80 дБ (1 мВ - 10 В) і часі перетворення 20 мс; перетворювачів параметрів змінних сигналів і перетворювачів параметрів електричних кіл.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Показано, что в пассивных конденсаторных ячейках ЛАЦП возможно как перераспределение, так и накопление заряда, а в активных ячейках - только накопление заряда, причем в пассивных ячейках можно реализовать только спадающую развертку компенсационного напряжения, а в активных - как спадающую, так и нарастающую.

ЛАЦП на коммутируемых конденсаторах позволяют реализовать любое значение основания логарифма (), причем для пассивных конденсаторных ячеек значение лежит в пределах 0<<1, а для активных ячеек - как 0<<1, так і >1; развертка компенсационного напряжения ЛАЦП спадающая при <1 и нарастающая при >1.

На основании предложенных принципов преобразования впервые реализованы такие методы логарифмического аналого-цифрового преобразования как считывания, поразрядный, рекуррентный и с переменным основанием логарифма.

Предложены и исследованы новые принципы построения основных узлов ЛАЦП с улучшеными метрологическими характеристиками, в частности, конденсаторных ячеек, аналоговых ключей, усилителей и компараторов, пиковых детекторов и схем выборки-хранения, масштабирующих узлов (делителей и умножителей частоты) и промежуточных измерительных преобразователей (напряжение-частота и напряжение-ток). На основании проведенного анализа получены характеристики преобразования и математические модели погрешностей этих узлов, дана оценка их быстродействия.

Получили дальнейшее развитие методы анализа схем на коммутируемых конденсаторах, в частности, предложена и доказана теорема об эквивалентности линейных электростатических систем, использование которой существенно упрощает анализ и уменьшает объем вычислительных работ.

Проведено математическое моделирование ЛАЦП на коммутируемых конденсаторах. Выявлены источники погрешностей и установлено, что влияние неидеальности элементов на процесс преобразования в таких ЛАЦП происходит в основном через токи утечек и следующие эффекты: проникание напряжения управления ключами и опорного, передачи паразитных зарядов затворов ключей, непосредственного изменения емкостей конденсаторных ячеек паразитными емкостями. Разработаны математические модели погрешностей ЛАЦП, позволяющие аналитически оценить точность и динамические свойства ЛАЦП с перераспределением заряда, с накоплением заряда в активных и в пассивных конденсаторных ячейках. Показано, что в последовательных ЛАЦП на коммутируемых конденсаторах результирующая погрешность преобразования (с учетом погрешности квантования 0,1%) не превышает 0,25% при времени преобразования не более 20 мс. Дальнейшее уменьшение результирующей погрешности преобразования возможно путем уменьшения количества тактов преобразования за счет более сложных алгоритмов преобразования, например, поразрядного, рекуррентного или с переменным основание логарифма.

Проведено физическое моделирование ЛАЦП. Разработаны оригинальные структурные и функциональные схемы ЛАЦП на коммутируемых конденсаторах, в частности, последовательные ЛАЦП со спадающей и с нарастающей разверткой компенсационного напряжения, с переменным основанием логарифма, поразрядные, рекуррентные, следящие, с промежуточным преобразованием. Проведены экспериментальные исследования макетных образцов ЛАЦП в динамическом диапазоне входных сигналов 80 дБ (1 мВ - 10 В), которые показали, что основная погрешность и время преобразования соответственно не превышали: 0,25% и 20 мс для последовательных ЛАЦП с ПЗ и ЛАЦП с НЗ на пассивных конденсаторных ячейках; 0,2% и 20 мс для последовательных ЛАЦП на активных конденсаторных ячейках; 0,15% и 0,4 мс (в перспективе 0,01% и 100 мкс) для ЛАЦП с переменным основанием логарифма; 0,05% и 100 мкс для поразрядных ЛАЦП.

На основании разработанных методов логарифмического аналого-цифрового преобразования предложены новые принципы построения и структуры преобразователей типа логарифм-антилогарифм повышенной точности и с расширенными функциональными возможностями, причем впервые реализованы многофункциональные преобразователи с числом входов десятки-сотни (в отличие от 3-4 в известных аналогах).

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

ABSTRACT

Mychuda Z.R. Methods and devices of logarithmic analog-to-digital conversion. - Manuscript.

Thesis for a doctor of technical sciences degree in speciality 05.13.05 - Elements and Devices of Computer Technique and Control Systems. Lviv Politechnic National University, Lviv, 2002.

In the thesis the new trend of logarithmic analog-to-digital conversion - on switched capacitors is first offered and developed. The new principles and methods are offered, the theoretical foundations are designed, in particular, a new theorem about the equivalence of linear electrostatic systems is proved. The mathematical models and new logarithmic analog-to-digital converter structures are created, which essentially exceed in accuracy and operation speed known logarithmic analog-to-digital converters, have equal the aforementioned characteristics with linear analog-to-digital converters, but essentially exceed the latter in functional capabilities.

The new principles of logarithmic analog-to-digital conversion are based on phenomena of redistribution, storage and aggregation of redistribution - storage of charge in switched capacitors and allow to realize any value of the logarithm base : .

On the basis of the suggested new principles there have been first realized such methods of logarithmic analog-to-digital conversion as parallel, successive approximation, recurrent and with the variable logarithm base.

Keywords: logarithmic analog-to-digital conversion, switched capacitors, principles, methods, devices, modelling, analysis.

Размещено на Allbest.ru