Технологические способы коррекции погрешностей БИС ЦАП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Национальный исследовательский

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Институт электроники и светотехники

Кафедра электроники и наноэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

Технологические способы коррекции погрешностей БИС ЦАП

Автор курсовой работы________________________А. А. Никитин

Обозначение курсовой работы КР-02069964-11.03.04-13-20

Направление подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника»

профиль «Промышленная электроника»

Руководитель работы

к.т.н., доцент________________________О. В. Шишов

Оценка __________

Саранск-2020

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Национальный исследовательский

Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Институт электроники и светотехники

Кафедра электроники и наноэлектроники

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по курсу «Преобразования сигналов в системах управления»

Студент: Никитин Александр Александрович

1 Тема: Технологические способы коррекции погрешностей БИС ЦАП

2 Срок представления работы к защите: 17.01.2020

3 Содержание курсовой работы:

3.1 Реферат

3.2 Содержание

3.3 Введение

3.4 Основные понятия ЦАП

3.5 Основные параметры цифро-аналоговых преобразователей

3.6 Способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП

3.7 Заключение

3.8 Список использованных источников

Руководитель работы_______________О. В. Шишов

Задание принял к исполнению_______________А. А. Никитин

РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит 18 страниц, 2 рисунка, 2 формулы, 4 использованных источника.

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ПАРАМЕТРЫ ЦАП, КОРРЕКЦИЯ, ПОГРЕШНОСТЬ.

Объектом исследования является цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Цель исследования - изучить технологические способы коррекции погрешностей БИС ЦАП.

В результате курсовой работы были рассмотрены основные понятия ЦАП, основные параметры цифро-аналоговых преобразователей и способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Основные понятия ЦАП

2. Основные параметры цифро-аналоговых преобразователей

2.1 Номинальные параметры

2.2 Статические параметры

2.3 Динамические параметры

2.4 Функции влияния

3. Способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В данной курсовой работе были рассмотрены основные понятия ЦАП, основные параметры цифро-аналоговых преобразователей и способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП.

Технологические методы коррекции погрешностей -- это коррекции, осуществляющиеся при изготовлении ЦАП.

В процессе технологии изготовления пытаются корректировать самые трудные погрешности - погрешности нелинейности. Необходимо различать статические и динамические погрешности.



1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЦАП

преобразователь цифроаналоговый код погрешность

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называются устройства служащие для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине пропорциональный значению кода. ЦАП применяются для связи цифровых управляющих систем с исполнительными устройствами и механизмами, которые управляются уровнем аналогового сигнала, в качестве составных частей более сложных аналого-цифровых устройств и преобразователей.

Любой ЦАП характеризуется прежде всего своей функцией преобразования, которая связывает изменение входной величины (цифрового кода) с изменением выходной величины (напряжения или тока).

Рисунок 1 -- Функция преобразования ЦАП

Аналитически функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом (для случая, когда выходной сигнал представлен напряжением):

Uвых = (Uмакс / Nмакс) Nвх, (1)

где Uвых - значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду Nвх, подаваемому на входы ЦАП;

Uмакс - максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода Nмакс.

Величину КЦАП, определяемую отношением Uмакс/Nмакс, называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Его постоянство для всего диапазона изменения аргументов определяет пропорциональность изменений величины выходного аналогового сигнала соответствующим изменениям величины входного кода. Именно поэтому, несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину Nвх представить через значения весов его разрядов, функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом:

Uвых = КЦАП, (2)

где i - номер разряда входного кода Nвх;

Ai - значение i-го разряда (ноль или единица);

Ui - вес i-го разряда;

n - количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Данный способ записи функции преобразования во многом отражает принцип функционирования большинства ЦАП, по существу заключающийся в проведении суммирования долей аналоговой выходной величины (суммирования аналоговых мер), каждая из которых пропорциональна весу соответствующего разряда.

В целом по способу построения выделяют ЦАП со взвешенным суммированием токов, со взвешенным суммированием напряжений и на основе кодоуправляемого делителя напряжения.

В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода суммируются сигналы генераторов токов и источников э.д.с. Последний способ реализуется как управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации. Поэтому, основной структурой, применяемой на практике, является структура ЦАП со взвешенным суммированием токов.

В практике находят применение ЦАП для преобразования различных кодов. Однако наиболее часто они применяются в системах преобразования двоичного кода.



2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Совокупность нормируемых и контролируемых параметров ЦАП определяется в зависимости от их назначения и области применения. Чаще всего такие параметры нормируются для приборов данного конкретного типа, но иногда и для отдельных экземпляров ЦАП.

Помимо назначения и области применения, на выбор совокупности нормируемых параметров влияет степень конструктивной и функциональной законченности ЦАП. Если термин «ЦАП», обозначает микросхему, у которой отсутствуют как источник опорного напряжения, так и цепи регулирования смещения «нуля» и масштаба, то это всего лишь комплектующий элемент, предназначенный для создания функционально законченного устройства. Последнее в этом случае может быть выполнено в виде отдельного модуля, в котором кроме микросхемы ЦАП, должны быть установлены: источник опорного напряжения, цепи регулировок, выходной усилитель, буферный регистр, оптронная развязка и другие необходимые элементы. В то же время существуют микросхемы ЦАП, которые представляют собой полностью завершенные приборы -- как функционально, так и конструктивно. В каждом из перечисленных выше случаев набор нормируемых параметров будет разным.

Всю совокупность параметров, из которых в соответствии со спецификой и назначением ЦАП выбираются комплексы нормируемых параметров, можно разбить на несколько групп.

2.1 Номинальные параметры

Коэффициент преобразования -- характеризует отношение приращения аналогового выходного сигнала к приращению цифрового входного сигнала. Этот коэффициент имеет размерность выходной величины и численно равен номинальной единице младшего разряда.

Код входного сигнала -- характеризует систему символов, используемых для отображения цифрового сигнала на входе ЦАП. Чаще всего здесь используются прямой и обратный двоичные коды, дополнительный двоичный код и смещенный двоичный код.

Число разрядов кода -- число двоичных (или групп двоично-десятичных) символов, обозначающих кодированный входной сигнал.

2.2 Статические параметры

Погрешность преобразования -- отражает разницу между реальной функцией преобразования и номинальной. Этот параметр может быть приведенным как к выходу ЦАП, так и к его входу. Если погрешность преобразования приведена к выходу, то она выражается в единицах выходной величины (напряжение или ток), если ко входу, то в безразмерных долях единицы младшего разряда.

Напряжение смещения нуля на выходе -- напряжение на выходе ЦАП при нулевом входном коде. Измеряется в единицах младшего разряда. Определяет параллельный сдвиг действительной функции преобразования и не вносит нелинейности.

Погрешность преобразования систематическая -- является усредненным во времени значением погрешности преобразования при неизменном значении входного кода. Допустимое значение систематической погрешности выражается числом или функцией либо числового значения входного кода, либо выходной величины.

Погрешность преобразования случайная -- случайная составляющая выходного сигнала ЦАП (шум) при неизменном значении входного кода, т. е. разность между погрешностью преобразования и ее систематической составляющей. Случайная погрешность характеризуется среднеквадратичным отклонением или автокорреляционной функцией, либо однозначно с ней связанной спектральной плотностью.

Интегральная нелинейность преобразования -- характеризует максимальное отклонение значений реальной функции преобразования от соответствующих точек на прямой, аппроксимирующей эту функцию. Параметры такой прямой определяются либо соединением двух крайних точек реальной функции преобразования, либо методом наименьших квадратов. Чтобы при оценке данного типа нелинейности исключить влияние шумов, производят усреднение во времени.

Дифференциальная нелинейность преобразования локальная -- отклонение приращения выходного сигнала ЦАП при увеличении или уменьшении входного кода на одну единицу. При оценке всей функции нелинейности преобразования выбирается максимальное по модулю значение локальной дифференциальной нелинейности, которое и принимается за общую характеристику дифференциальной нелинейности ЦАП.

Монотонность функции преобразования -- неизменность знака приращения сигнала на выходе ЦАП при монотонном изменении числового значения входного кода. Функция преобразования считается немонотонной, если хотя бы одна из локальных дифференциальных нелинейностей имеет знак, противоположный знаку единицы младшего разряда, и превосходит его по размеру.

Стабильность -- способность ЦАП сохранять воспроизводимое значение выходной величины или линейность преобразования в течение оговоренного времени. В паспорте преобразователя может указываться максимальный интервал времени, в течение которого пределы допустимой погрешности или нелинейности преобразования не превышаются. Указание временных интервалов служит основанием для назначения сроков регулировки прецизионных ЦАП во время эксплуатации.



2.3 Динамические параметры

Время установления по напряжению (по току) -- интервал времени от момента изменения кодовой комбинации на входе ЦАП до момента, когда выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону установившегося состояния, соответствующего ±1/2 единицы младшего разряда (шага квантования) или другому оговоренному значению, например, допустимому пределу статистической погрешности.

Выброс входного сигнала (глитч) -- короткий всплеск в выходном сигнале ЦАП, который возникает при изменении входного кода. Величина глитча, как правило, зависит от величины разности между значениями предыдущего и последующего кодов и характеризуется длительностью и амплитудой, или вольтсекундной площадью.

Рисунок 2 -- Переходная характеристика ЦАП



2.4 Функции влияния

К функциям влияния относятся зависимости параметров точности или быстродействия либо от изменения влияющих величин (температуры, влажности, напряжения, питания и пр.), либо от неинформативных параметров входного сигнала -- амплитуды и длительности фронтов сигналов, представляющих «единицы» и «нули» входного кода. Примерами функций влияния могут служить зависимости погрешности и линейности от температуры, погрешности от напряжения источника питания, длительности выброса от крутизны фронтов входного цифрового сигнала и пр.



3 СПОСОБЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОРРЕКЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЦАП

Существуют различные методы компенсации статических погрешностей ЦАП. Основным классификационным признаком методов является класс учитываемых ошибок. По этому признаку выделяются следующие методы: коррекция масштаба и нулевой точки характеристики, коррекция отклонения коммутируемых мер, коррекция нелинейности общего вида (как интегральной, так и дифференциальной).

Если устранение погрешностей БИС ЦАП производится в процессе их изготовления говорят о технологических методах коррекции. Коррекция погрешностей используемых БИС ЦАП в основном проводится за счет введения в схему дополнительных элементов, т.е. на структурном уровне. В этих случаях мы говорим о структурных методах.

Среди структурных методов линеаризации характеристики необходимо выделить компенсационные методы и методы с контролем по тестовому сигналу.

Компенсационные методы заключаются во введении в структуру преобразователя вспомогательных резистивных матриц, управляемых кодом, обратным коду, подаваемому на основную матрицу. Это позволяет уменьшить паразитное влияние кодозависимых токов, протекающих по общим шинам земли и питания, стабилизирует рассеиваемую мощность и тепловой режим схемы.

Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением рассчитанных на основе этого поправок к входной или выходной величине для компенсации данных погрешностей.

При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.

Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.

Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.

Проведение коррекции.

Первые три пункта относятся к процессу контроля, последний пункт - к процессу преобразования, так как проведение коррекции осуществляется во время преобразования.

Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования. Может проводиться и с помощью специализированного оборудования, встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, все то время, пока преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Это обеспечивает долговременную метрологическую стабильность работы преобразователя даже при постоянном воздействии на него каких-либо дестабилизирующих факторов. Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при их работе в составе микропроцессорной измерительной системы.

Большая группа методов контроля по тестовому сигналу основывается на предположении о независимости весов разрядов от преобразуемого кода. При этом можно составить систему независимых уравнений, число которых равно количеству корректируемых разрядов преобразователя. Часто эту систему уравнений добавляют еще двумя, определяющими погрешность смещения нуля и масштабную погрешность. Для составления каждого уравнения на вход преобразователя подают код из заданного набора. После разрешения такой системы уравнений удается найти погрешности задания веса каждого разряда, а следовательно, и поправочное (компенсирующее) значение для каждого значения входного кода. Такие методы получили в настоящее время наибольшее распространение и применяются при построении микропроцессорных управляющих систем повышенной точности.

Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и в цифровой форме.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе были определены основные понятия ЦАП, существующие способы построения ЦАП, основные параметры цифро-аналоговых преобразователей, такие как: номинальные параметры, статические параметры и динамические параметры, а также рассмотрены способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП.

Коррекция погрешностей используемых БИС ЦАП в основном проводится за счет введения в схему дополнительных элементов, то есть на структурном уровне.

Существует масса различных погрешностей, к каждой из которых нужен определенный подход, для того чтобы правильно их скорректировать. В данной курсовой работе рассмотрены некоторые из этих способов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Никамин В. А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник. -- / В. А. Никамин - СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003. -- 224 е., ил.

2. Федорков Б. Г. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи / Б. Г. Федорков, В. А. Телец, В. П. Дегтяренко. - М. : Радио и связь, 1984. - 120 с. - (Массовая б-ка инженера «Электроника» ; вып. 41).

3. Гнатек Ю. P. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ./Под ред. Ю. А. Южина. М: Радио и связь. 1982, 552 с.

4. Шишов О. В. Аналого-цифровые каналы микропроцессорных систем управления: учебное пособие / О. В. Шишов - Саранск: издательство Мордовского института, 2013. - 188 с.

Размещено на Allbest.ru

...