Високоточні порозрядні АЦП, що самокалібруються, з ваговою надлишковістю для систем цифрової реєстрації і обробляння аналогових сигналів

Размещено на http://allbest.ru

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 618.3

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВИСОКОТОЧНІ ПОРОЗРЯДНІ АЦП, ЩО САМОКАЛІБРУЮТЬСЯ, З ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ ДЛЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОЇ РЕЄСТРАЦІЇ І ОБРОБЛЯННЯ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Архипчук Олександр Анатолійович

Вінниця - 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Азаров Олексій Дмитрович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри обчислювальної техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, с.н.с. Багацький Валентин Олексійович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова Національної академії наук України (м. Київ), провідний науковий співробітник відділу перетворювачів форми інформації

кандидат технічних наук Мичуда Леся Зиновіївна, Національний університет „Львівська політехніка” (м. Львів), доцент кафедри автоматизації теплових та хімічних процесів

Провідна установа:

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, кафедра автоматизації експериментальних досліджень, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться „_01_” __жовтня__ 2004 р. о __9-30__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розіслано „_20_”________08______2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиЗахарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Використання цифрової техніки відкриває принципово нові можливості у різноманітних галузях людської діяльності. Цифрові технології все більше поширюються у побуті: зокрема для обробляння аудіо та відео інформації, в контролерах технічних систем, телефонії, вимірювальних приладах та інших. Вказані пристрої та системи працюють із зовнішнім світом, в якому вся інформація відображується в аналоговій формі. Тому виникає потреба у використанні аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) та цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП), які утворюють групу перетворювачів форми інформації (ПФІ). При цьому гостро постає питання точності та швидкості цього перетворення.

АЦП та ЦАП часто використовуються в комплексі з ЦЕОМ у складі різних систем. У даному випадку АЦП та ЦАП розглядаються як системні перетворювачі інформації (СПІ). У свою чергу СПІ виконують роль аналого-цифрових підсистем, котрі залежно від призначення систем реалізують функції аналого-цифрових контролерів, аналого-цифрових інтерфейсів, аналого-цифрових спецпроцесорів, підсистем тестування, випробувань та регулювання параметрів та характеристик виробів, збирання та обробляння вимірювальної інформації, аналізу та синтезу сигналів та ін. Найбільші вимоги висуваються до характеристик і параметрів СПІ, що входять до складу інформаційно-вимірювальних систем. У першу чергу це точність та швидкодія. Вдосконалення вказаних характеристик є центральним напрямком досліджень у галузі отримання, перетворення та обробляння аналогових сигналів. Переважна більшість сучасних високоточних порозрядних АЦП системного застосування використовує структурно-алгоритмічні методи покращення метрологічних характеристик. Більшість з цих методів дозволяє покращувати показники або лише точності перетворення, або лише швидкодії. Використання ж вагової надлишковості у формі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ) дозволяє комплексно вирішувати питання як підвищення точності, так і швидкодії.

Водночас, існує багато варіантів реалізації паралельних ЦАП, які основною складовою частиною порозрядного АЦП: на резистивних матрицях, на джерелах струму, на конденсаторних матрицях з накопиченням або перерозподілом заряду та ін. Відповідно відрізняються і шляхи калібрування. До цього часу досліджувались методи покращення характеристик для окремих типів ЦАП. Тому актуальною є задача дослідження методів підвищення точності АЦП порозрядного врівноваження з узагальненим типом ЦАП, а також використання статистичного аналізу для оцінювання результативності й ефективності цих методів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведено в цій дисертаційній роботі, проводились здобувачем протягом 2000-2004 років згідно з науковим напрямком кафедри обчислювальної техніки Вінницького національного технічного університету, а також як виконавцем у рамках науково-дослідних програм „Дослідження принципів використання інформаційної надлишковості для підвищення точності та швидкості аналого-цифрового перетворення” №58-Д-201 (номер держ. реєстрації 0199U003435) та „Розробка теорії високоефективних вимірювальних та обчислювальних засобів на базі надлишкових позиційних систем числення” №58-Д-247 (номер держ. реєстрації 0102U002265).

Метою дослідження є підвищення точності аналого-цифрових перетворювачів порозрядного наближення, побудованих з використанням низькоточного компенсуючого ЦАП на основі інформаційно-вагової надлишковості, шляхом самокалібрування ваг розрядів.

Об'єкт дослідження - вплив інструментальних і методичних похибок в порозрядних АЦП з ваговою надлишковістю на підсумкову похибку перетворення як під час самокалібрування так і безпосереднього виконання основної функції, що породжує проблему підвищення точності.

Предмет дослідження - високоточні порозрядні АЦП з ваговою надлишковістю, що самокалібруються, побудовані на низькоточних аналогових вузлах і блоках, з використанням компенсуючих ЦАП, принцип побудови яких передбачає як безпосередній, так і приведений баланс інструментальних похибок.

Методи дослідження - базуються на використанні: теорії АЦ-перетворення для аналізу шляхів підвищення точності порозрядних АЦП, що самокалібрується; теорії похибок для розробляння моделей статичних похибок; комп'ютерному моделюванні для аналізу процесу А-Ц перетворення, зокрема, самокалібрування ваг розрядів й оцінювання рівня інструментальних і методичних похибок, а також для перевірки отриманих теоретичних положень; евристичний синтез - для розробки структур порозрядних АЦП системного застосування, що самокалібруються.

Задачі дослідження:

1. Аналіз існуючих методів підвищення точності порозрядних АЦП, у тому числі середньої та підвищеної швидкодії, побудованих на низькоточній елементній базі, а також визначення перспективних напрямків і задач дослідження для подальшого розвитку методів підвищення точності.

2. Вдосконалення існуючих методів підвищення точності порозрядних АЦП, побудованих на низькоточній елементній базі, шляхом цифрового самокалібрування ваг розрядів з використанням стратегій „знизу-догори” та „згори-донизу” за рахунок уведення в компенсуючий ЦАП інформаційно-вагової надлишковості.

3. Вдосконалення математичних моделей аналого-цифрових перетворювачів для аналізу (в тому числі статистичного) похибок, що виникають як під час виконання основної функції, так і під час самокалібрування ваг розрядів, за умови, що принцип побудови компенсуючого ЦАП передбачає як безпосередній, так і приведений баланс інструментальних похибок.

4. Отримання аналітичних залежностей, що описують процес накопичення методичних похибок, які виникають під час самокалібрування ваг розрядів АЦП, для подальшого оцінювання цих похибок, зокрема, шляхом статистичного аналізу, та пошуку шляхів зменшення їхнього значення.

5. Оцінювання ефективності процедур самокалібрування ваг розрядів з використанням критеріїв, отриманих на основі статистичного аналізу, та розробка рекомендацій для вибору оптимальних параметрів процедури самокалібрування, що забезпечують мінімальне значення підсумкової похибки перетворення.

6. Розробка методик евристичного синтезу структур високоточних порозрядних АЦП з ваговою надлишковістю, що самокалібруються, побудованих на неточній елементній базі і реалізованій за спрощеною технологією.

7. Розробка рекомендацій щодо використання високоточних порозрядних АЦП, що самокалібруються, із ваговою надлишковістю в системах цифрової реєстрації та обробляння аналогових сигналів, похибки яких не залежать від змінення умов навколишнього середовища, а також протягом усього циклу експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Дістали подальшого розвитку методи підвищення точності порозрядних АЦП на основі інформаційно-вагової надлишковості, побудованих на низькоточній елементній базі і виготовлених за спрощеною технологією, шляхом цифрового калібрування ваг розрядів, для випадків, коли принцип побудови компенсуючого ЦАП передбачає як безпосередній, так і приведений баланс інструментальних похибок.

2. Вдосконалено математичні моделі АЦП таким чином, щоб вони враховували методичні похибки, що виникають під час самокалібрування ваг розрядів за стратегіями „знизу-догори” та „згори-донизу”, на основі цих моделей отримано статистичні розподіли як методичних похибок самокалібрування, так і підсумкових похибок перетворення.

3. Уперше показано, що методичні похибки самокалібрування та підсумкові похибки мають нормальний закон розподілу, що дозволяє оцінювати їх значення за допомогою математичного сподівання та середньоквадратичного відхилення. Така оцінка доводить, що підсумкові похибки АЦП, що самокалібруються, можуть бути набагато менші (один-три порядки) за первинні похибки елементної бази.

4. Уперше отримано аналітичні вирази, що дозволяють визначити оптимальну кількість „точних” розрядів для процедур самокалібрування за стратегіями „знизу-догори” та „згори-донизу”, що дозволяє підвищувати ефективність процедури самокалібрування завдяки зменшенню підсумкової похибки аналого-цифрового перетворення.

Наукове значення роботи:

1. Отримані нові наукові результати є внеском у подальший розвиток теорії аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення і дозволяють створювати високоточні швидкодіючи АЦП порозрядного врівноваження, побудовані на неточних аналогових вузлах, реалізованих за спрощеною технологією, з ефективнішими результатами самокалібрування ваг розрядів.

2. Отримані наукові результати також є внеском у розвиток теорії цифрових систем реєстрації та обробляння аналогових сигналів, оскільки доводять, що використання розглянутих порозрядних АЦП дозволяє також підвищувати точність вказаних систем шляхом коригування статичних похибок, що виникають у трактах вимірювання або перетворення аналогових сигналів.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено рекомендації щодо проектування високоточних пристроїв порозрядного аналого-цифрового перетворення за спрощеною технологією виготовлення аналогових вузлів та блоків, причому, якщо процедуру самокалібрування здійснювати періодично, то точність перетворення таких АЦП практично не буде залежати від змінення умов навколишнього середовища та протягом усього терміну експлуатації.

2. Запропоновано методики евристичного синтезу структур високоточних АЦП, що самокалібруються, реалізованих на неточній елементній базі, на основі надлишкових позиційних систем числення, за умови, що специфіка побудови компенсуючого ЦАП передбачає як безпосередній, так і приведений баланс інструментальних похибок.

3. Розроблено рекомендації з проектування та використання високоточних порозрядних АЦП з ваговою надлишковістю, у системах цифрової реєстрації та обробляння аналогових сигналів, похибки яких не змінюються при роботі у важких умовах (змінення умов навколишнього середовища, зокрема, температури, тиску) та протягом усього циклу експлуатації.

4. Розроблено програмні засоби для моделювання порозрядного аналого-цифрового перетворення, під час проектування високоточних АЦП системного застосування, реалізованого на низькоточних аналогових вузлах та блоках. При цьому можна оцінити значення похибок і самокалібрування, і основного перетворення, з можливістю змінювання параметрів АЦП, робота якого моделюється, зокрема: з урахуванням специфіки побудови компенсуючого ЦАП (з безпосереднім або з приведеним балансом інструментальних похибок), кількості розрядів, допуску на відхилення ваг розрядів, закону розподілу відхилень ваг розрядів, основи системи числення, виду процедури самокалібрування, а також здійснювати статистичний аналіз отриманих результатів.

Практичні результати дисертаційних досліджень впроваджено в Інституті електроніки і зв'язку Української академії наук національного прогресу та на Інноваційно-впроваджувальному підприємстві „Інновінн”, а теоретичні положення роботи використовуються у навчальному процесі кафедри обчислювальної техніки Вінницького державного технічного університету. Впровадження результатів дослідження підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих у співавторстві і наведених у списку опублікованих праць за темою дисертації, здобувачу належать такі ідеї і розробки:

1. Розроблено математичну модель порозрядного АЦП, що самокалібрується за стратегією „знизу-догори”, та комп'ютерну програму для моделювання процесу самокалібрування.

2. Досліджено процес виникнення та накопичення методичних похибок самокалібрування.

3. Запропоновано рекомендації, щодо використання допоміжних аналогових сигналів

4. Розроблено математичну модель порозрядного АЦП, що самокалібрується за стратегією „згори-донизу”, та комп'ютерну програму для моделювання процесу самокалібрування.

5. Проведено статистичне дослідження похибок самокалібрування, в тому числі методичних, в наслідок чого показано, що похибки мають нормальний закон розподілу, що в свою чергу дозволяє оцінювати ефективність самокалібрування за параметрами цього розподілу (математичне сподівання та середньо квадратичне відхилення).

6. Виведено аналітичні залежності, яки дозволяють визначити оптимальну для підвищення точності параметри процедур самокалібрування, як для методів „знизу-догори”, так і для „згори-донизу”.

Апробації результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи було відображено у доповідях на:

Міжнародній науково-технічній конференції “Optoelectronic Information Technologies 2000” (Вінниця, 2000 р.);

Публікації. За підсумками наукових досліджень опубліковано 10 наукових праць, зокрема, 5 статей у наукових журналах, що входять до переліку періодичних фахових видань затверджених ВАК України, 1 патент на винахід, 4 публікації у наукових збірках і матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Повний обсяг дисертації 172 сторінки, в яких основний зміст викладено на 135 сторінках друкованого тексту, містить 61 рисунок та 7 таблиць. Список використаних джерел складається з 164 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету та задачі дослідження. Також охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про впровадження результатів роботи, їх апробацію та публікації.

В першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих схемотехнічних та технологічних методів підвищення точності АЦП порозрядного наближення.

Показано, що застосування лише цих методів не дозволяє досягти довгострокової точності перетворювача на рівні більше ніж 14 розрядів. До того ж використання цих методів вимагає значних фінансових витрат, що призводить до збільшення собівартості кінцевого виробу.

Проведений огляд і аналіз методів формування нерозривної передатної характеристики АЦП. В результаті аналізу показано, перспективність методів підвищення точності на основі надлишкових позиційних систем числення, оскільки вони на відміну від більшості методів дозволяють підвищувати не тільки точність, а і швидкість аналого-цифрового перетворення.

До того ж вони не вимагають використання додаткових взірцевих мір та приладів, що істотно знижує вартість пристроїв побудованих на їх основі.

Показано, що стан дослідження методів самокалібрування на основі вагової надлишковості у формі надлишкових позиційних систем числення потребує подальшого дослідження.

Зокрема, узагальнення методів самокалібрування, незалежно від типу паралельного ЦАП, що входить до складу АЦП, та проведення статистичного аналізу для оцінювання ефективності тих чи інших методів самокалібрування АЦП та визначення оптимальних параметрів цих методів.

У другому розділі досліджено особливість побудови АЦП з використанням компенсуючого ЦАП з приведеним та безпосереднім балансом похибок.

Показано, що в ЦАП першого типу, буде виконуватися рівняння

(1)

в той час як для другого типу буде характерне рівняння

,(2)

де ; - ідеальна вага -го розряду; - відносне відхилення ваги -го розряду; - відхилення від ідеального значення аналогового еквівалента цифрового коду .

Запропоновано методику визначення похибки пов'язаної з саморозрядом пристрою вибірки та зберігання. Щоб її визначити здійснюється двічі підряд врівноваження довільної аналогової величини

Було розроблено універсальні методи самокалібрування ваг розрядів за стратегією „знизу-догори” та „згори-донизу”.

Причому під час самокалібрування використовується умовний розподіл розрядів на „точні”(k - молодших) та „неточні”(m - старших).

За даними методами для стратегії „знизу-догори” на вхід АЦП подається аналогова величина, яка забезпечує встановлення на виході кодової комбінації:



n-1	...	i+1	i	i-1	i-2	...	1	0
0	...	0	1	0	0	...	0	0

Далі відбувається врівноваження сформованої аналогової величини компенсуючим аналоговим сигналом, але без включення i-го розряду. Отримаємо:

n-1	...	i+1	i	i-1	i-2	...	1	0
0	...	0	0	1	Х	...	Х	Х

Цей код буде відповідати дійсній вазі розряду, що калібрується, відносно опорної величини:

.

Для стратегії „згори-донизу” на вхід АЦП подається аналогова величина, що забезпечує встановлення на виході кодової комбінації:

n-1	n-2	n-3	…	2	1	0
1	0	0	…	0	0	0

Далі відбувається врівноваження вхідної величини компенсуючим сигналом, але без використання n-1 розряду. На виході пристрою отримаємо кодову комбінацію

n-1	n-2	n-3	…	2	1	0
0	1	Х	…	Х	Х	Х

На основі отриманого коду складається рівняння:

,

цифровий самокалібрування комп'ютерний

де K - коди дійсних ваг розрядів; - розрядні коефіцієнти коду, отриманого в наслідок врівноваження.

На наступному кроці на вхід подається аналогова величина, що забезпечує включення n-2 розряду та складається друге рівняння. Кроки повторюються поки не буде сформовано система з n-s рівнянь (де s - параметр системи числення ), оскільки останні s розрядів не буде чим врівноважувати.

.(3)

Ще s-1 рівнянь отримаємо, припускаючи, що s-1 молодших розрядів є точними:

,(4)

де K'- коди ідеальних ваг розрядів.

Останнє необхідне рівняння складається з умови балансу похибок (1) або (2) залежно від особливості компенсуючого ЦАП:

,(5)

де - залежить від специфіки побудови компенсуючого ЦАП.

Зібравши (3),(4) та (5) разом, отримаємо систему рівнянь.

У даній системі рівнянь реальні ваги розрядів, а відповідно і їх цифрові еквіваленти невідомі. Розв'язок цієї системи дасть цифрові еквіваленти дійсних ваг розрядів.

Проведено аналіз методичних похибок, що виникають під час самокалібрування. Виведено аналітичні залежності, що описують характер методичних похибок самокалібрування. Зокрема, показано, що для стратегій „знизу-догори” похибки самокалібрування для s систем числення характеризуються таким рівнянням: , а для p систем числення , де та - відповідно i-е s та p число Фибоначчи; - „чиста” складова похибки самокалібрування без врахування похибки самокалібрування попередніх розрядів. Для стратегії „згори-донизу” відсутній вказаний характер накопичення похибок. Оскільки до закінчення процедури самокалібрування цифрові еквіваленти ваг розрядів вважаються невизначеними.

Аналіз джерел методичних похибок самокалібрування показав, що в перших n-s+1 рівняннях, що складаються на основі результату врівноваження, серед похибок буде присутня лише похибка врівноваження, тобто похибка квантування (). Припущення, щодо точності молодших розрядів, призведе до появи в другій групі з s рівнянь, похибки, що дорівнює відхиленню ваги цих розрядів від ідеального значення, тобто первинній похибці (). Виникнення похибки в останньому рівнянні пов'язане лише з точністю визначення похибки масштабу ().

Джерелом виникнення основної похибки самокалібрування, в даному випадку, буде лише похибка квантування . Похибки мають малі значення (найчастіше на рівні сотих частин ваги молодшого розряду), оскільки це відхилення молодших розрядів, тому ними можна знехтувати. Порушення останнього рівняння призводить лише до появи похибки масштабу не впливаючи на похибку лінійності.

Розроблене програмне забезпечення дозволило виконати статистичне моделювання роботи АЦП, що самокалібрується, та показало можливість істотного (2ч4 порядки) підвищення точності АЦП, шляхом застосування процедур самокалібрування, порівняно з первинними відхиленнями елементів.

У третьому розділі розглянуто джерела похибок самокалібрування. Показано, що розподіл похибки перетворення після виконання процедури самокалібрування має нормальний закон, виходячи з цього запропоновано оцінювати ефективність вибору параметрів процедури самокалібрування на основі значення середньоквадратичного відхилення. Запропоновано аналітичні вирази, за допомогою яких можна визначити оптимальні, з точки зору точності, параметри різних процедур самокалібрування. Розроблено та оцінено шляхи зменшення часу самокалібрування. Виконаний евристичний структурний синтез дозволив запропонувати методики евристичного структурного синтезу для систем з самокалібруванням за стратегією „знизу-догори” та „згори-донизу”.

Під час аналізу похибок показано, що кінцева похибка АЦ перетворення є функцією від багатьох чинників, зокрема: . Фактично, цю похибку можна розділити на три похибки:, де - похибка квантування; - похибка, пов'язана з відхиленням некаліброваних розрядів; - похибка, що залишилась після самокалібрування.

Розкривши значення похибок та отримаємо наступний вираз:

,(7)

де - розрядні коефіцієнти з множини {0,1} коду , що формується на вході -ЦАП. Проаналізувавши рівняння (7) можна стверджувати, що похибка АЦ перетворення буде залежати від коду , який в свою чергу залежить від рівня вхідного аналогового сигналу . Щоб отримати повну уяву про похибку перетворення в АЦП, необхідно послідовно виміряти її на всьому діапазоні значень вхідного сигналу. Для цього використано моделювання процесу АЦ врівноваження за допомогою ЕОМ, яке показує залежність рівня похибки АЦ перетворення від рівня вхідного аналогового сигналу для конкретного АЦП (див. рис. 2). Зазначимо, що для кожного конкретного АЦП ця залежність буде мати свій вигляд. Працювати з залежностями у такому вигляді незручно, томі пропонується перейти до розподілу який показує не значення похибки для конкретного сигналу, а імовірність виникнення похибки з таким значенням (див. рис. 3). Використовуючи такі гістограми можна визначити закон розподілу та обчислити його числові характеристики (математичне сподівання M та середньоквадратичне відхилення ).

Припустивши, що відхилення старшого „точного” розряду не повинно перевищувати половини ваги молодшого розряду, була отримана залежність кількості „точних” розрядів від основи системи числення та максимального значення відносного відхилення під час завдання ваг розрядів:

,(8)

графічна інтерпретація якої показана на рис. 4. Проведене моделювання на ЕОМ підтвердило істинність цього припущення.

Для зменшення часу, що витрачається на самокалібрування, було запропоновано збільшити на один-два кількість „точних” розрядів а також динамічно змінювати кількість розрядів, що приймають участь у врівноваженні (наприклад для врівноваження k+2 розряду немає необхідності виконувати порозрядне врівноваження починаючи зі старших розрядів, достатньо використати k+1 молодших розрядів, що скоротить час врівноваження). Залежність зменшення часу самокалібрування від кількості „точних” розрядів та загальної кількості розрядів показана на рис. 5.

В ході виконання евристичного синтезу структур АЦП, що самокалібруються, були розроблені методики цього синтезу, які дозволяють отримати мінімальні похибки самокалібрування та основного перетворення, для стратегії „знизу-догори” та „згори-донизу”.

Тут: АК - аналоговий комутатор; ПВЗ - пристрій вибірки та збереження; ДЗС - джерело зарядного струму; ОД - опорне джерело; -ЦАП - ЦАП з співвідношенням ваг розрядів пропорційним НПСЧ; СП - схема порівняння; РПН - регістр порозрядного наближення; БК - блок керування; ЦОП - цифровий обчислювальний пристрій; БП - блок пам'яті.

У четвертому розділі дістали подальшого розвитку рекомендації із практичного застосування високоточних АЦП, що самокалібруються, у системах реєстрації і обробляння аналогових сигналів. Запропоновані варіанти структур систем цифрової реєстрації та систем цифрового обробляння аналогових сигналів (рис. 7 та рис. 8).

Тут: ПВЗІ - ПВЗ з інтегратором; РПНП - РПН прискорюючий (у разі використання вагової надлишковості для підвищення швидкодії); БфПП - буферний підсилювач-перетворювач; Ф - аналоговий фільтр; ПР - пристрій реєстрації; ЦСП - цифровий сигнальний процесор; ІФ - цифровий інтерфейс. Причому наведена система цифрової реєстрації сигналів, фактично є елементом аналого-цифрової пам'яті і за рахунок використання вагової надлишковості та одного -ЦАП для прямого та зворотного перетворення не вимагає калібрування навіть за умови значних первинних відхилень.

Розроблене програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання процесу аналого-цифрового перетворення, аналізу інструментальних похибок перетворення, процесу накопичення методичних похибок самокалібрування ваг розрядів, а також оцінювання підсумкових та методичних похибок аналого-цифрового перетворення з можливістю змінювати параметри АЦП та процедури самокалібрування. Програма може використовуватися під час проектування вказаних пристроїв, а також дозволяє спрогнозувати показники точності АЦП, що проектується.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі виконано дослідження, присвячені підвищенню точності порозрядних АЦП, що самокалібруються, реалізованих на неточних аналогових вузлах та блоках, з можливістю використання компенсуючого ЦАП як з безпосереднім, так і з приведеним балансом інструментальних похибок, за рахунок використання вагової надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення. Данні дослідження є внеском у подальший розвиток теорії аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення і дозволяють створювати високоточні швидкодіючи АЦП порозрядного врівноваження з ефективнішим самокалібруванням ваг розрядів. Паралельно з цим результати дослідження також є внеском у розвиток теорії інформаційно вимірювальних систем, систем реєстрації та обробляння аналогових сигналів, оскільки доводять можливість підвищення точності вказаних систем шляхом коригування статичних похибок, що виникають у трактах вимірювання або перетворення аналогових сигналів.

Основні результати досліджень є такими:

1. Проведено аналіз існуючих методів підвищення точності порозрядних АЦП, у тому числі підвищеної швидкодії, побудованих на низькоточній елементній базі. Показано, що перспективним напрямком є підвищення точності АЦП порозрядного врівноваження на основі НПСЧ з узагальненим типом ЦАП, а також використання статистичного аналізу для оцінювання результативності й ефективності цих методів. Запропоновано класифікувати вказані АЦП на ті, що містять компенсуючий ЦАП з безпосереднім балансом інструментальних похибок (резистивні, конденсаторні матриця), та ті в яких ЦАП має приведений баланс похибок (на джерелах струму). Подібна класифікація дозволяє ефективніше калібрувати ваги розрядів вказаних АЦП, з урахуванням специфіки типу компенсуючого ЦАП.

2. Вдосконалено існуючи методи підвищення точності порозрядних АЦП, побудованих на низькоточній елементній базі, шляхом цифрового самокалібрування ваг розрядів, з використанням вагової надлишковості за рахунок врахування специфіки компенсуючого ЦАП.

3. Вдосконалено математичні моделі АЦП з урахуванням похибок, що виникають як під час безпосередньо порозрядного аналого-цифрового перетворення, так і під час самокалібрування ваг розрядів, за умови, що специфіка побудови компенсуючого ЦАП передбачає як безпосередній, так і приведений баланс інструментальних похибок. Вперше показано, що статистичний розподіл методичних та підсумкових похибок аналого-цифрового перетворення після самокалібрування має нормальний закон розподілу, що дозволяє оцінювати ефективність процедур самокалібрування використовуючи параметри розподілу, зокрема, математичне очікування та середньоквадратичне відхилення. Оцінювання цих похибок показало, що за допомогою самокалібрування можна значно (на 1-3 порядки) зменшити їх значення.

4. Дістали подальшого розвитку аналітичні співвідношення, на основі яких, можна визначити оптимальні параметри процедури самокалібрування (кількість „точних” розрядів, основа надлишкової системи числення та ін.), для підвищення ефективності процедури самокалібрування за рахунок зменшення підсумкової похибки перетворення. Вперше запропоновано методику евристичного синтезу структур високоточних порозрядних АЦП з ваговою надлишковістю, що самокалібруються, побудованих на неточній елементній базі і реалізованій за спрощеною технологією, враховуючи різні типи компенсуючого ЦАП. Використання цих методик дозволяє проектувати структури АЦП в яких підсумкова похибка перетворення матиме мінімальний рівень.

5. Подальшого розвитку дістали рекомендації щодо використання високоточних порозрядних АЦП, що самокалібруються, із ваговою надлишковістю в системах вимірювання та цифрової реєстрації аналогових сигналів, похибки яких не залежать від змін умов навколишнього середовища, а також не перевищують заданого значення протягом усього циклу експлуатації. Вказаний підхід дозволяє також створювати вказані високоточні системи на низькоточних елементах.

6. На основі отриманих математичних моделей створено програмні засоби для комп'ютерного моделювання процесу аналого-цифрового перетворення, аналізу інструментальних похибок перетворення, процесу накопичення методичних похибок самокалібрування ваг розрядів для вказаного класу пристроїв, а також оцінювання підсумкових та методичних похибок аналого-цифрового перетворення з можливістю змінювати параметри АЦП та процедури самокалібрування. Програма може використовуватися під час проектування вказаних пристроїв, а також дозволяє спрогнозувати показники точності АЦП, що проектується. За допомогою цієї програми було підтверджено достовірність отриманих теоретичних положень.

7. Результати виконаних досліджень впроваджено в Інституті електроніки та зв'язку Української академії наук національного прогресу при проектуванні перспективних моделей аналого-цифрового модему для організації радіорелейного цифрового зв'язку для високоякісного передавання звукових сигналів, що входять до складу цифрових радіорелейних станцій „Евріка”, в Інноваційно впроваджувальному підприємстві „ІнноВінн” у вимірювальні тракти систем „Ваговимірювального терміналу”, що проектується, а також у навчальний процес у Вінницькому національному технічному університеті на кафедрі обчислювальної техніки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. Новий метод зменшення методичної похибки самокалібровки АЦП на основі надлишкових позиційних систем числення // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2001. - том 3, №2. - С.78-83.

2. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. Метод самокалібрування похибок порозрядних АЦП з ваговою надлишковістю // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2002. - №6. - С.5-8.

3. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. Статичні похибки самокаліброваних АЦП порозрядного врівноваження з ваговою надлишковістю // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2003. - випуск 58. - С.6-12.

4. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. АЦП порозрядного врівноваження з самокалібруванням за стратегією „згори-донизу” // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2003. - №6. - С.41-45.

5. Азаров О.Д., Архипчук О.А. Параметричний синтез точностних характеристик самокаліброваних АЦП // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. - 2004. - випуск 74. - С.409-415.

6. Пат. №53090А України, 7 Н03М1/42. Спосіб аналого-цифрового перетворення / О.Д. Азаров, О.А. Архипчук, С.М. Захарченко (Україна). - №2002031816; Заявл. 05.03.2002; Опубл. 15.01.2003, Бюл. №1.

7. A.Azarov, S.Zakharchenko, А.Arkhipchuk New method of reduction of a methodical error of self-calibration for ADC on the basis of redundant positional number systems // Optoelectronic Information Technologies. - 2000. - Vol. 4425. - P.22-26.

8. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. Зменшення методичної похибки самокалібрування АЦП на основі надлишкових позиційних систем числення // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Збірник наукових праць . - Хмельницький: ТУП. - 2002. - Випуск №9 том 2. - С.24-28.

9. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. Калібрування похибок АЦП з ваговою надлишковістю за стратегією „згори-донизу” //Збірник праць міжнародної НТК „Приборостроение - 2002” - Алупка. - 2002р. - С.12-15.

10. Азаров О.Д., Захарченко С.М., Архипчук О.А. АЦП порозрядного врівноваження з самокалібруванням за стратегією „згори-донизу” // Тези доповідей VII міжнародної науково-технічної конференції „Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2003) - м. Вінниця, 8-11 жовтня 2003р. - С.101.

АНОТАЦІЯ

Архипчук О.О. Високоточні порозрядні АЦП, що самокалібруються, з ваговою надлишковістю для систем цифрової реєстрації і оброблення аналогових сигналів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2004.

Дисертація є подальшим розвитком теорії аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення і присвячена дослідженню методів самокалібрування високоточних порозрядних АЦП, побудованих на неточній елементній базі. Показано, що всі паралельні ЦАП, що використовуються в порозрядних АЦП, діляться на ЦАП з безпосереднім балансом похибок та ЦАП з приведеним балансом похибок. Досліджено та вдосконалено методи самокалібрування ваг розрядів за стратегіями „знизу-догори” та „згори-донизу”. Доведено, що похибки врівноваження, після самокалібрування мають нормальний закон розподілу. Виведені аналітичні залежності, що дозволяють визначити оптимальні, з точки зору точності, параметри процедури самокалібрування. Запропоновано методику евристичного синтезу структур порозрядних АЦП, що самокалібруються.

Ключові слова: порозрядне аналого-цифрове перетворення, самокалібрування, інформаційна надлишковість, нелінійність.

АННОТАЦИЯ

Архипчук А.А. Высокоточные поразрядные самокалибрующиеся АЦП с весовой избыточностью для систем цифровой регистрации и обработки аналоговых сигналов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница, 2004.

Диссертация является дальнейшим развитием теории аналого-цифрового преобразования на основе избыточных позиционных систем счисления и посвящена исследованию методов самокалибровки высокоточных поразрядных АЦП, построенных на неточной элементной базе.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

В работе выполнен анализ существующих методов повышения точности аналого-цифровых преобразователей. Предложено условно делить все параллельные ЦАП, используемые в поразрядных АЦП, на ЦАП с непосредственным балансом погрешностей и ЦАП с приведённым балансом погрешностей. Получили дальнейшее развитие методы уменьшения погрешности аналого-цифрового преобразования в АЦП с весовой избыточностью, построенных с использованием низкоточних аналоговых узлов. Исследованы и улучшены методы самокалибровки весов разрядов по стратегии „снизу-вверх” та „сверху-вниз”. Показано, что погрешности уравновешивания после самокалибровки имеют нормальный закон распределения, что позволяет оценивать эффективность процедур самокалибровки, используя параметры распределения (математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение), а также повышать точность АЦП путём усреднения результатов нескольких самокалибровок. Выведены аналитические зависимости, которые позволяют определить оптимальные, с точки зрения точности, параметры процедуры самокалибровки. Предложены варианты уменьшения времени самокалибровки. Разработаны методики эвристического синтеза структур поразрядных самокалиброваных АЦП для стратегий „снизу-вверх” и „сверху-вниз”, при этом задаются оптимальные параметры для повышения точности. Представлены рекомендации по проектированию и использованию высокоточных поразрядных самокалиброваных АЦП в системах цифровой регистрации и обработки аналоговых сигналов.

Усовершенствованы математические модели, реализующие рассматриваемые методы самокалибровки, учтена специфика построения компенсирующего ЦАП (с непосредственным и приведенным балансом погрешностей). На основе полученных математических моделей созданы программные средства для компьютерного моделирования процесса аналого-цифрового преобразования и анализа возникающих погрешностей.

Методы и программные средства прошли промышленную апробацию и внедрены на предприятиях.

Ключевые слова: поразрядное аналого-цифровое преобразование, самокалибровка, информационная избыточность, нелинейность.

ANNOTATION

Olexandr A. Arkhipchuk. High-precision successive approximation self-calibration ADC with weight redundancy for the systems of digital recording and processing of analogue signals. - Manuscript.

The dissertation for the Degree of Candidate of Technical Sciences, field 05.13.05 - Elements and Devices of Computer Facilities and Control Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2004.

The dissertation presents further development of the theory of analog-to-digit conversion on the basis of redundant position number system. The methods of self-calibration of high-precision successive approximation ADC built on inaccurate elements are considered. It was shown, that all parallel DAC, used in successive approximation ADC, are divided into DAC with direct error balance and DAC with adjusted error balance. The methods of self-calibration of digit weights by “bottom-to-top” and “top-to bottom” strategies are developed. The conversion errors are proved to have normal distribution after self-calibration. The analytical dependences to determine optimal parameters of self-calibration procedure providing minimal errors are derived. The principles of heuristic synthesis of successive approximation self-calibration ADC structures are proposed.

Key words: successive approximation analog-to-digit conversion, self-calibration, information redundancy, non-linearity.

Размещено на Allbest.ru

...