автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Прецизионные цифроаналоговые преобразователи с повышенным быстродействием и устройства специального применения на их основе

На правах рукописи

ГОРДЕЕВ Сергей Игоревич

ПРЕЦИЗИОННЫЕ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОВЫШЕННЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ И УСТРОЙСТВА СПЕЦИАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.11.05 ПриПорм и методы намерения электрических и магнитных величии

А в I о р с ф с р а I диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1996

Работа выполнена на кафецре информационно-измерительной техники Московского энергетического института.

Научный руководитель: - доктор технических наук

профессор ДИДЕНКО В.И.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

профессор ШЛЫКОВ Г.П. - кандидат технических наук доцент ГЕРАСИМЕНКО В.П.

Ведущее предприятие: НИИЭП

г.Санкт-Петербург

Защита состоится Ки4Жл9, 1996 г. в )(? час. ДОмин. на

заседании диссертационного совета К.053.16.10 Московского энергетического института в ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105835, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14, Совет МЭИ.

Автореферат разослан МАЛ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Е.А.Бородкин

Актуальность работы. В современном приборостроении наряду с общеизвестным понятием "средств измерений" использовался термин "устройство специального применения" (УСП), которое применялось по отношению к изделиям МИНПРИБОРа, предназначенных для целей измерения, но не аттестованных по стандартам на средства измерений. Среди разнообразных УСП видное место занимают прецизионные устройства преобразования информации (аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и установки для их испытаний). Именно этим УСП и уделяется основное внимание в данной работе. Заметим, что термину УСП близко понятие "нестандартизованное средство измерений", которое автором включено в понятие УСП.

Основой УСП, определяющей точностные и динамические свойства. является, как правило, прецизионный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Одним из основных узлов многих УСП является прецизионный цифроаналоговый преобразователь. Выпускаемые в настоящее время в России и зарубежом многоразрядные ЦАП (такие как 427ПАЗ, AD1139, DAC729) имеют высокие метрологические характеристики, однако их стабильность обеспечивается в узком диапазоне изменений температуры и других влияющих величин. Этот недостаток может быть частично vci ранен, если использовать коррекцию погрешности.

Но MHOMIX случаях влияют:»! величина, а следшкиcjii.ho и погрешность изменяются медленно, поэтому потеря нескольких десятков миллисекунд, затрачиваемых па коррекцию функции преобразования, на фоне непрерывной работы в течение нескольких часов оказывается несущественной. Однако встречаются задачи, где информация должна поступать непрерывно. Еще более существенным молеI окакпься случай, когда влияющие неличины (а следовательно и погрешность) ичменяюгея очень быстро (локальные перегревы, шум 1144.11111011) типа п 1.Д.). H 'ним случае момент выбора пмтерилпа коррекции может оказаться неизвестным, а для надежности придется проводить коррекцию очень часто, что может существенно спиши, быстродействие.

Таким образом, актуальными являются задачи построения ЦАГ1, которые имели бы высокие метрологические характеристики в широком !смпературном диапазоне и не требовали бы коррекции.

Поставленным задачам наиболее полно отвечает принцип коммутационного инвертирования. Применительно к ЦАП этот принцип был использован в активных делителях тока, где информативным параметром является полусумма выходных сигналов на двух тактах коммутационного инвертирования. Целый ряд вопросов, связанный с использованием этого принципа, не был освещен в лни-рлгурс. Например, не развита проблема получения па основе принципа коммутационного инвертирования большого числа разрядов пифроаналогового преобразователя. Неисследованным является вопрос применения малоразрядных ЦАП в составе калибраторов с повышенным быородейепшем. При серийном выпуске малорпзрядпых иысоколинейиых ЦАП возникает проблема определения дифференциальной линейности из-за большого значения единицы младше!о разряда.

Научные и практические результаты диссертационной работы получены при выполнении хоздо| опорных рабо|, проводимых по заказу НИ НЭП (I .Санкт-Петербург). СКВ МП (г.Лыюв). ПО "Микроирибор" (I Львов), ПО "(У)МТ (гЛ)мск).

Цель работы состоит в создании устройств специальною применения, имеющих повышенное быстродействие - при сохранении точности на уровне мировых образцов, а также обеспечивающих высокие метрологичесие характеристики в широком диапазоне изменений температур и других влияющих величин, в том числе при их быстром изменении.

Основными задачами исследования являются:

1. Анализ . точности характеристик малоразрядного ЦАП, построенного на основе активных делителей тока.

2. Разработка структур многоразрядных ЦАП на базе малоразрядных ЦАП, построенных на активных делителях тока .

3. Разработка методов повышения быстродействия лрецизионных ЦАП.

4. Разработка структур УСП на основе ЦАП с, использованием метода коммутационного инвертирования.

5. Развитие и анализ методик испытаний малоразрядных ЦАП.

Методы исследования. Для решения поставленных задач

применялись методы теории погрешностей, теории электрических цепей, теории вероятностей, теории автоматического управления и математического моделирования. Для проверки теоретических

понижений Гнила иропсдспо модслпроиште им Ouic'JMM шпа IIÍM 14' с использованием различных пакетов прикладных программ.

Научная iioiiHiiia.

1. Впервые проведен анализ точностных характеристик малоразрядных ЦАП на основе активных делителей токов с использованием метода коммутационного инвертирования и выявлено, что основными источниками погрешностей дифференциальной и интегральной линеиностей являются токи утечки полевых транзисторов и конечность значения коэффициента ослабления синфазного сигнала операционных усилителей.

2. На основе малоразрядного ЦАП предложены многоразрядные структуры, которые защищены авторскими свидетельствами.

3. Для повышения быстродействия предложены схемы сумматоров многоразрядного ЦАП, отличающиеся по сравнению с известными высокой динамической точностью.

4. Разработаны пути и особенности применения малоразрядного ЦАП в устройствах специального применения, таких, как установка для испытаний АЦП, многоразрядный ЦАП в стандарте И41М, устройство ввода хроматографической информации в персональную ЭВМ.

5. Разработаны методики наладки и испытаний прецизионного малоразрядного ЦАП, основанные по принципу дифференциального метода измерений.

Практическая ценность:

1. Создана модель малоразрядного ЦАП на основе активных делителей тока с использованием метода коммутационного инвертирования. позволяющая оценить погрешности дифференциальной и интегральной линейности этого преобразователя.

2. Разработан ряд оригинальных схемотехнических решений построения многоразрядных ЦАП на основе малоразрядпых ЦАП с использованием метода коммутационного инвертирования.

3. Предложены пути повышения быстродействия ЦАП и УСП ш основе схем с использованием составных операционных усилителей, которые обладают лучшей динамической точностью и (или) меньшим потреблением по сравнению с известными.

Реализация результатов работы и внедрение. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании:

- прецизионного малоразрядного цифроаналогового преобразователя в гибридно-пленочном исполнении У2ПА2091, внедренного в ПО "Микроприбор" (г. Львов);

- автоматизированной установки для испытаний АЦП типа 1108ПВ1 и 48ПВО 1, аттестованной и внедренной в СКБ МП (г.Львов);

- 19-разрядного цифроаналогового преобразователя в стандарте И41М, внедренного во ВНИИЭП (г. Санкт-Петербург);

- установки для функциональной подгонки и испытаний микросхем У2ПА2091 (ПО "Микроприбор", г. Львов);

- устройства ввода информации (4-х канальное 21-разрядное АЦП для хроматографии), внедренного в ПО "ОЭМЗ" (г. Омск).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всесоюзной конференции "ИИС-91" (г. Санкт-Петербург ), на Всесоюзной школе-совещании "Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем и гибких производственных процессов" (г. Нальчик, 1990 год), на республиканских конференциях "Повышение быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерений (г. Ужгород, 1987 год), "Применение микропроцессоров в народном хозяйстве" (г. Таллин, 1988 год), "Системы контроля параметров электронных устройств и приборов" (г. Одесса, 1988 год).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из которых 4 - авторские свидетельства.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, содержит 152 страницы основного текста, 43 иллюстрации и 11 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность создания прецизионных ЦДП дня различных уп роист» специи т.пого применении и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В нерпой_п'ЛЖ рассматриваются современное соаонпие и

тенденции в области построения прецизионных цифроаналоговых преобразователей.

Анализируя схемные решения ЦАП, обеспечивающие основную приведенную погрешность линейности и основную приведенную

погрешность дифференциальной линейности на уровне 0.0001 % , можно сделать вывод, что в настоящее время получили распространение следующие методы построения прецизионных ЦАП :

- на основе индуктивных делителей;

- на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

- на основе резистивных делителей с коррекцией функции преобразования;

- с трансформацией статической погрешности преобразования в переменный сигнал;

Первые два метода имеют довольно низкое быстродействие (единицы-десятки миллисекунд). Широкое распространение получили в настоящее время ЦАП на основе резистивных кодоуправляемых делителей. Автором проанализированы возможности современной интегральной технологии и сделан вывод, что достижение характеристик линейности на уровне 0,0002 % является для нее пределом. К тому же указанные характеристики поддерживаются в узком интервале температур, порядка 2-3°С.

Для достижения более высоких MeipoJioi ичеекчх харак юриешк широком интервале температур прибегают к структурно-алгоритмическим мподам. I! нерпой i кипе нроипишгзпропинм рм шичш.к- шмм коррекции линейной и функции преобразования ЦАП и сделан вывод, чю блаюдаря совместному использованию меюдов непрерывной и периодической коррекции погрешностей и разумному компромиссу между временной и структурной избы точностью получены образцы ЦАП, значения дифференциальной и интегральной линейности которых составляют менее 0,0002 %, а время установления выходного сигнала -50-200 мкс. Однако указанное время дано без учета времени коррекции, кошран занимает десятки миллисекунд. Для многих применений, когда коррекция проводится достаточно редко, этот интервал времени несущественен, однако существуют задачи, когда недопустимо даже кратковременное прерывание иформации об имеряемом сигнале п условиях сравнительно быстрого изменения влияющих величин.

Таким образом, следует искать новые пути повышения быстродействия ЦАП при сохранении характеристик линейности функции преобразования на уровне 0,0001 - 0,0002 % в широком диапазоне температур, а также при сравнительно быстром ее изменении. Одним из таких путей является способ цифроаналогового преобразования с преобразованием статической погрешности

преобразования в переменный сигнал. Этот способ разделяется в свою очередь на дна метода: усреднение по времени и усреднение но значению (коммушциоииос инвертирование)- Меюд усреднения но примени известен также как метод динамического согласования элементов. Существенным недостатком этого метода является необходимость фильтрации пульсаций выходного тока, возникающих при коммутации, причем требования к фильтрам весьма жесткие.

Построение ЦАП на основе активных делителей тока с использованием метода коммутационного инвертирования почиолист избежать применения высококачественных фильтров нижних частот.

В конце первой главы описан принцип работы такого ЦАП и сделан вывод, что в сравнении с рассмотренными ранее преобразованиями он имеет несколько преимуществ: етпбилыннть .метрологических характеристик во нрсмсни и и диапазоне температур, огсутспшс необходимости проводить коррекцию функции преобразования. Указанные ЦАП имеют высокую технологичность (возможность исполнения в виде ГИС), не требуют точной функциональной подгонки и предварительной настройки для достижения высокой линейности.

Вторая глава посвящена анализу погрешностей цифроаналогового преобразователя на основе активных делителей тока с использованием метода коммутационного инвертирования.

В начале главы рассмотрены известные схемотехнические реализации подобного ЦАП и предложена более совершенная схема, позволяющая снизить на 20 % шум выходного тока. Также предложена новая схема источника образцового тока для ЦАП.

Теоретический анализ погрешностей рассматриваемого ЦАП позволил выявить основные источники и составляющие основной погрешности линейности. Чтобы оценить вклад каждого фактора в общую погрешность , необходимо рассмотреть модели компонентов, на основе которых построен ЦАП в гибридно-пленочном исполнении.

Рассмотренная модель тонкопленочного резистора и проведенные эксперименты позволяют сделать вывод, что для прецизионных резисторов нелинейность, вызванная саморазогревом, превалирует над прочими эффектами. Кроме того, экспериментально получены значения тепловых сопротивлений для нескольких типов резисторов. Подобные сведения отсутствуют в справочной литературе. Полученные результаты позволили принять практические меры при разработке топологии ЦАП в гибридно-пленочном исполнении.

Проведено уточнение модели полевого транзистора на случай низких частот. Предложенная модель позволяет рассчитывать сигналы как переменного, так и постоянного тока. Найдены значения параметров уточненной модели. Даны статистические оценки остаточного тока стока и тока утечки затвора. Выработаны рекомендации по снижению источников погрешности линейности ЦАП.

В результате рассмотрения модели операционного усилителя дана количественная оценка К-параметров, впервые рассмотренных в трудах профессора Диденко В.И., и максимальных влияющих величин для ОУ типа К744УД2, широко применяемого в микроэлектронных изделиях. Показано, что при использовании ОУ указанного типа в ЦАП коэффициентами влияния к21 и к3| можно пренебречь по сравнению с параметрами к22 и к32. Следует отметить, что последний параметр к сожалению не отражается при нормировании по принятым стандартам, хотя и играет важную роль во многих применениях.. Выявлено, что параметры Л1ВХ и Есм при идентичных сопротивлениях в разрядных делителях тока не влияют на характеристики линейности.

Отдельный раздел главы посвящен оценке основной погрешности линейности характеристики преобразования ЦАП и мерам по ее снижению.

Показано, что предел приведенной погрешности дифференциальной линейности при смене 1-го разряда на все предыдущие, обусловленный разбросом сопротивлений резисторов в плечах делителя тока, составит

где п - число разрядов, 8 - разброс сопротивлений. Из выражения можно найти, что для достижения удл = 0,00001% при п = 6 достаточно подогнать сопротивления резисторов в плечах делителя до значения допуска ±0,05 %, что не представляет труда в стандартной технологии гибридных интегральных схем.

В таблице 1 приведены значения основной и дополнительной погрешностей дифференциальной и интегральной линейности

Ю- 0*2

(соответственно удл и ул) , обусловленные различными факторами. Этими факторами являются: Ес м, 1вх ср, ивх С(| - э.д.с. смещения нуля, средний входной ток и входное синфазное напряжение операционного усилителя, Дизи - разность напряжений затвор-исток в паре полевых транзисторов, Яос - резистор обратной связи для внешнего операционного усилителя, 1сост - остаточный ток стока запертого

полевого транзистора.

Как видно из таблицы, наиболее существенный вклад в основную и дополнительную погрешности дифференциальной и интегральной линейности вносят средний входной ток ОУ и его температурный дрейф. Основную погрешность можно свести к минимуму, компенсируя в каждом разряде средний входной ток. Саморазогрев резистора обратной связи также оказывает существенное влияние на погрешность интегральной линейности (несуперпозиционная составляющая погрешности). Для снижения этого влияния автором предложены соответствующие рекомендации по топологии в случае изготовления малоразрядного ЦАП в гибридно-пленочном исполнении.

Таблица I. Оценка основной и дополнительной погрешностей дифференциальной и интегральной линейности малоразрядного ЦАП с коммутационным инвертированием от различных влияющих факторов

Характеристики Удл. шах У л.шах

основная, дополнит., основная, дополнит.,

Фактор •ю-5% •10-5%/10°С •10-5%

1.0 0.04 0,5 0,02

1,5 2,0 0.8 1.0

л р 7.8 5,0 3,9 2.5

АП1И 3,8 1,3 1,9 0,7

^ 'Д 'их Л ф 0,8 0,08 0,4 0,04

^зД'нх.сф 2,5 0,25 1,3 0,13

- - 2,8 -

и, 3,0 3.0 1.5 1.5

И юго 20,4 11,7 11,6 5,8

В третьей главе исследуется многоразрядный двухступенчатый ЦАП с усреднением на основе малоразрядного ЦАП. Рассмотрены структуры ЦАП с динамическим и квазистатическим режимами работы.

Динамический режим более прост, однако выходной сигнал имеет пульсации. Тем не менее такой режим может быть использован в ряде случаев, например при поверке АЦП.

На рис.1 представлена функциональная схема 20-разрядного ЦАП с квазистатическим режимом работы.

На функциональной схеме : ЦАП„ - 17-разрядный корректируемый ЦАП с выходом по току; ЦАП-6 - прецизионный 6-разрядный ЦАП с выходом по току; R,, R2,-., R5 - прецизионные резисторы, разметенные внутри микросхемы ЦАП-6; ЦАП,, - 14-раэрядпый ,!oiH4iuuKJiuH.\n ЦЛП с выходом пи напряжению'. OVI ош-рашшшп.ш усилитель; ИУ - измерительный усилитель; УВХ1, УВХ2, УВХЗ -устройства выборки-хранения; ИОН - источник опорного напряжения, общего для трех преобразователей. Особенность работы состоит в том, ■ми усредняются не абсолютные значения выходного сигнала ЦАП-6, а сигналы сравнения.

Показано, что скорректированное напряжение на выходе ЦАП будет равно:

иЛ1-*'» -и.....и, R<

V 2 R, aR2R3+R2R, +R3R4j

Rs.

* I

где 1(, и 1„ - выходные токи ЦАП-6 на двух тактах коммутационного инвертирования, иоп, ид - выходные напряжения источника

опорного напряжения и дополнительного ЦАП соответственно.

Во втором разделе главы проведен метрологический анализ многоразрядного ЦАП, сформулированы требования к отдельным узлам. Показано, что погрешности дополнительного ЦАП ослабляются в 25 раз, а от корректируемого ЦАП требуется лишь кратковременная стабильность на время одного преобразования.

В конце главы описаны особенности функциональной настройки и испытаний многоразрядного ЦАП с квазистатическим режимом работы.

В кодоуправляемых делителях напряжения основную долю в общем времени установления выходного напряжения занимает преобразование тока в напряжение, осуществляемое выходным усилителем. Поэтому задача построения прецизионных быстродействующих усилителей представляется весьма актуальной.

Вход

Блок управления

Рис.1. Функциональная схема 20-разрядного ЦАП с квазистатическим режиме« работы

В четвертой главе рассматриваются способы построения прещпи-онных быстродействующих усилителей на основе составных операционных усилителей. Известно, что единичный интегральный операционный усилитель (ИОУ) не может обеспечить оптимальные параметры по быстродействию и точности одновременно. Однако такое сочетание параметров возможно, если построить усилитель, состоящий из двух и более ИОУ, включенных по схеме с параллельными каналами усиления .Тогда усилитель будет обладать лучшими параметрами использованных в нем отдельных операционных усилителей.

Предложены новые схемы решающих усилителей, построенных на базе двух операционных усилителей, один из которых является прецизионным, а другой - быстродействующим.

Анализ динамических и статических свойств данных схем выявил следующее:

1. Смещение нулевого уровня усилителей определяется свойствами прецизионного усилителя и практически не зависит от свойств быстродействующего усилителя.

2. При оптимальном выборе сопротивлений обратной связи схемы предложенных усилителей имеют динамические свойства, совпадающие с лучшими из известных схем.

3. Выведены формулы, по которым рассчитываются оптимальные значения сопротивлений резисторов обратной связи при заданном коэффициенте усиления и при выбранных типах операционных усилителей.

4. Предложенная схема в отличие от известной имеет всего одну цепочку обратной связи, что при заданных номиналах сопротивлений резисторов сокращает потребляемую мощность (следовательно самора-зогрев), а при той же потребляемой мощности позволяет использовать меньшие сопротивления резисторов, что снижает влияние паразитных емкостей.

Пятая глава содержит описание особенностей применения малоразрядного ЦАП в ряде прецизионных устройств.

Структура ЦАП с динамическим режимом работы, описанным во второй главе, использована при создании установки, которая является нестандартизованным средством измерений и предназначена для испытаний АЦП типов 1108ПВ1 и48ПВ01.

Основу измерительного блока образует прецизионный 18-разрядный ЦАП с динамическим режимом работы и диапазоном

значений выходного напряжения от минус 10,000000 В до 9,999924 В. Аттестуемой метрологической характеристикой установки являлся предел основной допускаемой погрешности ЦАП, определяемый формулой:

А0,п = ±(100 + 30|U|),[mkB], где U - значение выходного напряжения в вольтах.

По результатам аттестации основная погрешность установки не вышла за пределы допускаемых значений. Установка была аттестована метрологическим отделом МВТУ им. Баумана - головной организацией но метрологии Госкомитета СССР по народному образованию и внедрена в СКВ "Микроприбор" (г.Львов), что подтверждено актом внедрения.

Структура ЦАП с кназпстатпческим режимом работы, описанным но тором i и;шо. in ikijii. шпана при сшдлшш модуля ll> р;гзридши о цифроаналогового преобразователя стандарте И41М. Указанный модуль как прецизионное средство измерений использовался в установке высшей точности для метрологических испытаний прецизионных АЦП и ЦАП. 19-разрядный цифроаналоговый преобразователь (18 разрядов + знак) представляет собой пребразователь двоичного входного кода в выходное шшрижпше т дшша юном ш минус 10,2-1 Идо плюс lO.i.WKiO II. ЦАП имеет интерфейс для связи с ЭВМ СМ 1800, гальваническое разделение но цепям пи тания и управления. Конструктивно выполнен и стандарте И41М в виде одной платы, которая вставляется в крейт СМ 1800.

Погрешность дифференциальной линейности разработанного многоразрядного ЦАП не превысила половины кванта, а время установления выходного напряжения до метрологической точности составило 500 мкс. Указанный модуль как прецизионное средство измерений использовался в составе установки высшей точности для метрологических испытаний прецизионных АЦП и ЦАП (г.Санкт-Пегербург, ВНИИЭП).

Проработан также вариант изделия, работающий с персональным компьютером типа IBM PC.

При участии автора было разработано устройство ввода хроматографической информации в персональную ЭВМ, получившее также название "устройство сопряжения интеллектуальное" (УСИ). Основным узлом, определяющим метрологическую точность устройства является 21-разрядный ЦАП. Он построен, в свою очередь, на базе

малорачридного (микросхемы У2ПА20Ч1), а его дополнением до 21 рщрндп мииясгся 17-рачрядный ПАИ тина М211АЦ4171А. у которого используются старшие 15 разрядов. В очличие от структур ЦАП с динамическим и квазистатическим режимами работы, здесь

нптмо! и |сл1.мт,|11 ЦАП огсу чептуп, Кроме тш о. у'ремшгпиг ргчунм н ти на двух тактах коммутационного инвертирования является цифровым и его выполняет микро-ЭВМ. Опытная промышленная партия УСИ была ш.тушена и НО "Омский электромеханический («под". Нее образцы после наладки удовлетворяли следующим основным техническим характеристикам:

-Число каналов ввода информации 4

-Диапазоны изменения входных сигналов от -1 В до I В; от -10 В до 10 В; -Разрядность двоичного кода на выходе аналого-цифрового преобразователя 21;

-Время одного аналого-цифрового преобразования, мке, не более НЮ;

-Приведенное значение погрешности дифференциальной линейности, %, не более 0,0002;

-Среднеквадратическое отклонение выходного кода при неизменном входном сигнале, приведенное ко входу, после усреднения отсчетов за 20 мс не превышает 0,5 мкВ.

В шестой главе проводится обзор методов контроля прецизионных ЦАП. Главное внимание уделено методам измерения погрешностей дифференциальной и интегральной линейности. Все методы можно разделить на два основных направления: методы, когда предел допускаемой основной погрешности образцового средства измерений (ОСИ) уос1 меньше предела допускаемой основной погрешности поверяемого устройства уп и методы, когда уос, больше у п.

К первому направлению относятся метод прямого измерения и метод сличения, использование которых для испытаний прецизионных ЦАП затруднительно из-за отсутствия соответствующих ОСИ. Второе направление включает метод сравнения с образцовым значением приращения, когда измеряются не абсолютные значения весов разрядов, а лишь приращения. При этом ослабляются требования к ОСИ.

При участии автора была разработана методика определения характеристик линейности, близкая к методу сравнения с образцовым значением приращения. Ее главной отличительной чертой является то. что сравнивается не абсолютное значение приращения выходного

сигнала ЦАП, а приращение разности выходных сигналов испытуемого и дополнительного ЦАП, к которому не предъявляются требования высокой линейности характеристики, а требуется лишь кратковременная стабильность.

Отличительные особенности установки и методики - следующие:

- источник опорного напряжения (ИОН) - общий для поверяемого и вспомогательного ЦАП. Это позволяет исключить влияние колебаний питающего напряжения, а следовательно и колебаний выходного напряжения ИОН на результат измерения.

- поверка характеристик линейности проводится для ЦАП с выходом по напряжению, однако операционный усилитель (ОУ) не используется, что позволяет исключить нелинейность самого ОУ в общем результате измерения.

- в процессе испытаний используется младший дополнительный разряд, что позволяет получать близкие значения напряжений для двух смежных кодовых комбинаций, и, следовательно ослабить требования к средству измерений.

Установка для статических испытаний МЦАП нашла свое применение при испытаниях опытной партии микросхем малоразрядного ЦАП типа У2ПА2091 на Львовском ПО "Микроприбор".

Испытаниям подвергались 50 комплектов микросхем. На рис.2 показано распределение количества образцов по значениям температурного коэффициента (ТК) дифференциальной нелинейности.

Температурный коэффициент определялся по результатам испытаний образцов при 20°С и 70°С. Результаты опытов свидетельствуют о том, что практически без испытаний по температуре можно нормировать предельное значение ТК дифференциальной нелинейности, равное 0,0002 %/Ю°С. Как видно из рисунка у 90% образцов ТК не превышает значения 0,00005%/Ю°С, т.е. предел основной приведенной погрешности дифференциальной линейности удваивается па каждые 40°С, что свидетельствует об ультралинейной характеристике ЦАП в широком температурном диапазоне.

Важнейший показатель достонериости результатов испытаний - их понюряемость. С этой целью автором проведены исследования с рядом образцов. Полученные данные свидетельствуют о том, что оценка маюматичсского ожидания погрешности дифференциальной линейности

практически не изменялась, а среднеквадратическое отклонение не превысило 0,00002 %.

В приложении содержатся документы, подтверждающие внедрение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. На основе анализа методой носгроспия прецизионных ЦАП для устройств специального применения было установлено, что наиболее перспективным является метод построения ЦАП на основе аюивных N.

Ч -

к -

7 -6 -543 -

11_I_I_I_1_

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1! 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28,29 Рис.2. Распределение опытных образцов МЦАП по предельным значениям абсолютйой погрешности дифференциальной линейности

делителей тока пополам с использованием метода коммутационного инвертирования.

2. На основе созданной модели малоразрядного ЦАП получены соотношения, позволяющие оценить погрешности дифференциальной и интегральной линейности этого преобразователя.

3. Разработаны оригинальные структуры многоразрядных ЦАП на основе малоразрядного с использованием метода коммутационного инвертирования, защищенные авторскими свидетельствами.

4. Предложены пути повышения быстродействия ЦАП на основе схем с использованием составных усилителей.

1Я

5. На основе предложенных автором структур разработаны и внедрены прецизионный малоразрядпый цифролналоговый преобразователь в гибридно-пленочном исполнении У211А20У1, 19-разрядный ЦАП в стандарте И41М, устройство ввода информации (4-х канальное 21-разрядное АЦП для хроматографии) и т.д.

6. Разработаны методики наладки и испытаний прецизионного малоразрядного ЦАП, на основе которых созданы установки для функциональной подгонки и измерения статических параметров микросхем У2ПА2091.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бахметьев A.A., Гордеев С.И., Диденко В.И., Капустин В.М. Автоматизированная система испытаний прецизионных ЦАП. // Автоматизация испытаний и измерений. Межвуз. сб. научн. тр. - Рязань: Ряз. радиотехн. ин-т, -1988, -с.46 - 51.

2. Гордеев С.И., Кончаловский В.Ю., Кубли C.B. Установка для автоматизированных испытаний ЦАП. //Применение микро-ЭВМ и микропроцессоров в задачах измерения и управления. Сборник научн. тр. - Москва: Моск. энерг. ин-т, -1987,-№ 189, -с.35

3. Гордеев С.И., Кончаловский В.Ю., Яковлев Г.И. Малоразрядный высоколинейный цифроаналоговый преобразователь //Микроэлектроника в элсктроприборостроении. Сборник научн. трудов. -Ленинград: ВНИИЭП, -1989,- с. 19 - 24.

4. Гордеев С.И., Диденко В.И., Капустин В.М. 18 - разрядный цифроаналоговый преобразователь // Цифровая информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза: Пенз. политехи, ин-т, -1989, вып. 18, -с. 88-91.

5. Гордеев С.И., Кончаловский В.Ю. Прецизионные быстродействующие ЦАП //О бзорн. информ. серия TC-5 "Средства электроизмерительной техники, геофизическая и гидрометеорологическая аппаратура". Вып.1. М.: ИНФОРМПРИБОР, -1990 - 40с.

6. Гордеев С.И., Диденко В.И., Островерхов В.В., Яковлев Г.И. Прецизионные измерительные устройства на основе ультра-линейного цифроаналогового преобразователя типа У2ПА2091 //Измерительная техника, -1991,-№ 10,- с.64-65.

7. A.c. 1540001 (СССР). Устройство для поверки цифроанало-говых преобразователей / А.А.Бахметьев, С.И. Гордеев, В.И.Диденко,

B.М.Капустин/Заявл. 25.01.88, №4368694/24-24. Открытия. Изобретения. -1990,-№ 4.

8. A.c. 1473084 (СССР). Цифроаналоговый преобразователь/

C.И.Гордеев, В.И.Диденко, В.М.Капустин,П.С.Осетинский, В.В.Павлов/ Заявл. 07.07.87, № 431114/24-24. Открытия. Изобретения. -1989, -№14.

9. A.c. 1642586 (СССР). Цифроаналоговый преобразователь / С.И.Гордеев, В.И.Диденко, В.М.Капустин / 3аявл.04.03.88, №386662/24. Открытия. Изобретения. -1991,-№ 14.

10. A.c. 1702529 (СССР). Цифроаналоговый преобразователь// В.И.Диденко, В.М.Капустин, С.И.Гордеев, В.В.Островерхов, Г.И.Яковлев/ Заявл. 8.06.89 №4703265/24. Открытия, изобретения. -1991№ 48.

11. Гордеев С.И., Диденко В.И., Кончаловский В.Ю. Повышение ючности определения параметров, харак теризующих нелинейное п. функции преобразования ЦАП //Повышение быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерений. Тез. докл. республ. конф. - Ужгород, -1987,- с.25.

12. Гордеев С.И., Диденко В.И., Капустин В.М. Прецизионный ЦАП с динамическим режимом работы //Применение микропроцессоров с народном хозяйстве. Тез.докл. республик, конф.-Таллин, -1988, -с.47-48.

13. Гордеев С.И., Диденко В.И., Кончаловский В.Ю. Прецизионный 6-разрядный ЦАП и установка для его поверки //Системы контроля параметров электронных устройств и приборов. Тез. докл. 2-й секции республ. конф. - Одесса, -1988,- с. 11.

14. Гордеев С. И., Капустин В.М. Прецизионный ЦАП с микропроцессорной коррекцией линейности //Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем и гибких производственный процессов. Тез. докл. на II школе - совещании. - Нальчик.-1990, -с.32-33.

15. Гордеев С.И., Диденко В.И., Островерхов В.В., Яковлев Г.И. Перспективы построения микроэлектронных многоразрядных ЦАП на основе метода коммутационного инвертирования//Информационно-из-мерительные системы. Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. Санкт-Петербург, -1991, - с.98-99.