автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Аналоговые устройства самокоррегирующихся АЦП для систем измерения и обработки низкочастотных сигналов

ВНШИЦЬКИЙ П0ЛГГЕХН1ЧНИЙ ШСТИТУТ

од

На правах рукопису

КРУПЕЛЬНИЦЬКИЙ Леона Штальсвнч

а

АНАЛОГОВ1 ПРИСГРОТ САМОКОРИГУЮЧИХ АЦП ДЛЯ СИСТЕМ ВИМ1РЮВАННЯ ТА ОБРОБКИ . НИЗЬКОЧАСТОТНИХ СИГНАЛ1В

Спецдальпьсть 05.11.16 — ии|юрмацШно-вн»ирк>11аль1П снстсми ( в наущ та щюмиаюиосп)

Автореферат дисертацп на здобутгя паукового сгуисия кандидата тсхшчпих >шук

Вишшу! - 1994

Дисертащео е рукоинс.

Робота виконана в Спе^адьному конструкторсько-технолог!чноку биро Модуль м В!нницького пол1техшчного !нптитуту.

Науковий кер1вннк: кандидат техн!чних наук, доцент Азаров 0лекс1А Диитрович.

0#!ц!Ан! опоненти:

1. Доктор техн!чних наук, про#есор Кондалев Андр!й Иванович.

2. Кандидат техн!чних наук, доцент Бухалов Володииир Валентинович. Пров!дна орган!эац!а: Дерлавний науково-досл!дннй !нститут

" Снетепа " (и. Льв1в

Захист в!дбудвться '¿¿Г 1994 р. на засЦанн!

спец1ал1зовано1 вчено! ради Д 10.01,01 в В1нницькоиу пол1тех-н!чноиу !нститут! (286 021, и.В1нниця, Хиельницьке юсе, 99).

3 дксертац1еш полна ознайоимтись у б1бл1отец1 В!нницького пол1-техп1чного 1нституту.

Автореферат роз 1сланий '¿С." ___ 1994 р.

Вчений секретер . спец!ал!зованоТ вченоТ ради

ЗйГйЛЬНП ХЙРАКТЕРИСТШ ШОТИ (1кгвальн1с1ь цроблеии.

Зироке эастосування 1нфвриац{йно-зии!р»шалы1аУ техн1ки иероз-равно пов'яззно з проблеиаии сполученкя сигнал!в, «о отрииумься в1д аналогових датчик1в, з засебаии цифрово? обробки 1нфориаи!¥. Й!Шого>ц»фров1 перетворвэач! С АЦП ) в кев1д'емнныи конгсонентакн ралу суч«них 1нфоруац1йно-вим1раз4ЛЫ4«х систем (1ВС) I багато з чоиу вкзиачаогь К.ч е<н«швн1сть, (11 двицеи! вныогн до точ'ност! га ваидкодП АЦП а перву чергу винакаать при створенн! автанатизова-них технолог!чнйх установок, вия1рквадиш иристроУв, систем злпч-

I

сц, оЦтворення та обробкн ззукових. Ндроакустичних, сейси1чних сигнал1в. При розробц! АЦП для сгпзаянх систем внм!рвванна та об-рсбки низькочастотння сигная!з аиннкае необхшисть розглядм пере-теорпвач1в аналоггкод як сукупкост! аналогових та'циздових прнст-роУа (норыувчнх п1дснлвзач1в, Ф1льтр1в, нонутатор^в, пгдсилввач^в 8кб!ркя-збер1ганк55, дхерел опорних величин, схэи пор1вняния, хе-рувчих та !нтерфейсннх пристроУв I т.п.). Такий п1дх!д доэволзс вид!лити статичн! та динаи1чн1 складов! загал?.-ао! похибки та оптй-а^зувати характерными« всього тракту проходяення аии(резального сигналу - в1д датчика до засобу обробки.

Застосування комплексного п!дходу особливо актуально при роз-робцЁ аналогових пристроив для йнсокоточних АЦП I IВС (з тсчшс-тэ аналого-цифрового перетворення на р1вн! 14-ти 1 биьше двп'шо-вик роэрадIв) . !1айб1льа ефективним ыляхом створення вксокоточнчх ператворввач1в, йк свЦчить св1товий та в1тчизняний досв1Д, е застосування структурннх мвтод!в са«окал1броэнн та санокорекцП. Представникаии таких ПЦП г розглянут! з дисертац)? самокорягуоч! ЙЦП на основ! надлиакозих поэиц|йних систем числения П1ПСЧ) з ви-корястмнм чисел бокзчч! та • "золотоУ пропз,?!|!У".

■ к

{Ндомо, цо в самокоригуючих АЦП моалива цифрова корекц!« по-хибок аналогових пристроУб. Але системного п{дходу подо анал!зу I синтеза таких пристроУв розроблено не було. Крги того, в процес! практичной реал!эац!V самокоригуючих АЦП було виявлено ряд проблем, що потребують окремих дослЦяень стосовно метролог1чннх характеристик, структурних та схемотехн{чних р1вень, метод1в корек-ц!У. Причому, райки цих досл)дкень не обмемуються самокоригцвчиин АЦП , а ыоиуть бути поширен! на високоточн! АЦП та 1ВС в ц1лв1:у.

Пета роботи та задач! досл{днень:

розробити критерИ ефективносп проектування аналогових пристроив та встановити Ух взаемозв'язок з метролог1чними характеристиками АЦП та 1ВС;

скласти матецатичн! модел! аналогових пристроУв, визначити похибки, цо коригуються,{ похибки, як! не мояуть бути скоригоаан!;

запропонувати структурно та схемотехн!чн1 р!аення аналогових пристроив, оптим1зувати Ух параиетри «ляхом експериыентальних дсс-лЦмень та моделввання на ЕОН;

реал1зувати I дослЦити самокоригуюч! АЦП та систеыи вии!-рввання та обробки сигнал 1в з эастосуванняк розроблених аналогових пристроУв.

Основн! полокення, цо виносяться на захкст.

1. Використання метод!в самокорекц!У при проектуванн! аналогових пристроУв АЦП п1двивуе ефектмвнкть Функч!онування систем вим!рввання та обробки низькочастотиих сигнал!в.

2. Роэроблений комплекс нормованих иетролог1чни>' характеристик еисокоточних АЦП адекватно характеризуе Ух точикть та веидкс-д1в э склад! 1ВС.

3. Роэроблен! «одел! похи^ок аналогових пристроУв самокорягу-вчих Л?!П е основой для анал!зу силадееих кориговаиих та кекоркго-ганих похибск. а гаков елях(в Ух зтмекня.

4. Принципи побадави аналогоаих пристроКв саыокоригувчих ЙЦП ДЛЯ розробкн структирних та СХ8И0Т8ХН|ЧНИХ Р1Ц6НЬ вх1дного прнст-рои. прнсгров кваитування 1 пристроо дискратизац1У.

5. СтруктцрнI та алгорити!чн1 рвения самокоригуючцх ДЦП ! IВС э використанняа розроблених аналоговых пристроив.

йетодн досл{дяекь.

В робот! використано изтоди теор!К похибок, метода спектрального ¿нал!зу. чисельн! методи, ыетоди кааинного анал!зу I ко-делввання електронннх сх.и.

Науноза новизна.

1. Запропоновано при проектуванн! IВС. самокорнгувчих АЦП г» 1 Кй аналогових прнстроКэ внкористсвувати аетодику анал1Э9, яка пе-редбачае використання сп1льних критер1¥в ефективност! 1 спиьнай п1дх!д, який базуеться на корекц1К похибок.

2. Роэроблено комплекс норкопаних метролог!чних характеристик високоточних санокоригуючих ПЦП I Чж аналоговой щшетро?о. Визначен! коригован! I некориговаи! похибки, а такоа встановлено взаемозв'язкн н1я ними,

3. Запропоиовани 1итеграяьн1 оцики похибок вхЦкого пристроо АЦП, як\ враховупть спектральй! характеристики вх!дного ' сигналу.

4. Запропоноиана методика вимгрюваиь та виведена анал1тична эалеанкть, яка дозваляе оц1нити час апертурно* невнзначеност! -дискретиэатора по спектру вихЦного сигналу АЦП.

5. Складена иатематнчна модель перех!дних процесIв в при-

строй кваитувакня, яка доэволяе бточка оц1нввати динаы!чн1

похибки аналого-цифрового перетворення;

8, Роэроблено нетоди кореюпт нвл1н(йност! статичноУ передаточной характеристики та нер*вио>прност1 айпл!тудно- I фазо-час-тотно? характеристик вх1дного п^четрзю.

Практична ц!нн!сть.

1. На основ! анал!эц иатемагичнйк моделей похибок запропоно-вано евр1стичн1 методи структурного 1 схемотвхн1чного синтезу аналогових пристроУв.

2. Роэроблено I досл1д*ено аналогов! пристроК високоточних саиокоркг0ючих АЦП: вхЦний пристр!А, пристр!й дискретизац!К I пристр!й квантування. Основы! вузли пристроив реал1зовано у вн-гляд! г!брндних {нтегральних схем .

3. Розроблено доелIдн1 зразки самокоригувчих АЦП < високоточних вии1рювальних систем.

Реал1зац1а результат^.

На основ! теорстичних I скснериментальних досл!д«ень аналогових пристроив реалЬоваи! ряд вироб1в, у тону чнслГ,

вим!рювальний 18-розрядиий самокоригуючий АЦП для автомати-зац1 ¥ технолог1чних процес1 в:

иьидкод!ючий 16-розрядний саыокоригувчий АЦП для вии!риваи-ня та обробки сигналов;

вим!рювальна система атестац!У твнзоеле«ент!в;

анал!эатор параметра звукових тракт!в.

Вказан! розробки використовуються оргаи!зац1ями 9ира¥ни та Ро-сI*, у тому числ1 Укртелерад1окоипан1е11, АТ "Нанометр" (и, Носква).

Апробац!я роботи.

Основн! положения 'дисертац1йноУ роботи були представлен! автором I обговорювались на: 6-му Всесоюзному симпоз 1уы1 "Проблеыи створення перетворювач!в .форми !нфоркац1У" (м. КиКв. 19В8 р.); 2-1й Всесоюзна науково-техн!чяIй конференц!У "Технолог!я ПС I питания Ух еирибництва" (и. Ярославль, 1988 р.); науково-техн!чн1й конфвренц!У "Кетоди I м|кроелекгронн! эасоби цифрового перетвореи-ня 1 обробки сигнал!в" (м, Рига, 1989 р.); 2-1Л Всесосзн!й конфв-ренц1 ¥ "Проблеыи та перспектив»! развития цифровой звуковой технт-

ки" (м. Лен1нград, 1990 р.); Республ1канськ1й конфвренцП "Питания проектувания та практичного використання ПФ1 в керуючик та обчислввальних комплексах" (н. Одеса, 1990 р.); науково-техн1чн1й конференц1¥ краУн СНД "Контроль та керування в техн1чних системах'' (и. Ынниця, 1392 р.); 7-му сишншум! "Проблеыи створення перетворивач1в форми 1нформац1¥" (и. Ки¥в, 1992 р.).

Пцбл1каи i Y.

Результата виконаних дослЦжень опубл!ковано в 28 роботах, в чнсл1 яких 7 авторських св¡доцтв на вйнаходи i 2 позитивних pi-вення па заявках на винаходи.

Структура та обсаг дисертац!¥.

Робота складаеться fa вступу, чотирьох роэдШв, висновку, списку л!тератури та додатк!в. Робота мае 150 стор!нок машинописного тексту, 45 сторЫок рисунк1в I таблиць, список лиератури i3 ill найаенувань на И стор!нках та додатки на 53 сторожах.

3MICT Р0Б0ТИ

У 8СТУП1 показана актуальнкть досл1д«ення, визначен! осноз-н1 цtл 1 та задач}, чо вир1муоться в дисертац1йн1Л роботi.

В ПЕРВОМУ РОЗДШ виконано ан.^л!з тенденц!й роэвитку техн1ки високоточних АЦП та вс.ановлено систеинi виыоги до них, Ло систеа вим!рювання та обробки низькочастотних сигн.тв,' «о розглмдаються в контекст! виконаних досл1дяень, застосов.ню тлку кллсиф1кац1в: автоматизован1 технологии! контрольно-вим1ривалы|| установки; 1нформац1йно-вии1рювальнх систеии збору, запису та обробки сигнал1о;

систеии та прилади для вии1рюуання параметр!!? низькочастотних сигнал!в та трактid.

Загальнов рисоа вказаних вим^рввальних систеы е необхЦн!сть висо-коточного аналого-цифрового перетворення сигнал!в пост!йного струму та.сигнал!в низьких частот. Скстемнх параметри иошуть бути эа-безпечен! при застосуванн! ЙЦП э точнктв, яьа в!дпов!даг 14-ти -20-ти розрядам дв!йкового коду 1 ввидкод!ею, зка необх1дна для пе-ретэорекка сигиал!в э! спектром в!д 0 до 20 кГц. Для вказаних 1ВС необх*дним е такоа наявн!сть у склад! ЙЦП аналогових пристроив,со забезпечуить узгодлення з датчиками' вим!рввальних сигнал!в. Функ-ц!ональн! мовливост! ЙЦП аовинн! передбачати самоконтроль та попереднв обробку !нформац!¥ .

Огляд техн!чних характеристик I метод!б побудовн сучаснах високоточних АЦП сэЦчить про вироке використання в них р!зноиа~ н!тних способ!в корекц!* та автокал!бровки. В дельта-сигма пере-творпзачах эд1йсн«гться наколичення та обробка' в!дл1к1в вх1дного сигналу з кетов зменвення «ум!е, цо вносяться анаяоговими елемен-тами. В параяельно-послЦовних ЙЦП коригувться похибки узгодленнз к1к аналоговими пристройки, як! беруть участь в р!знкк етапах псретвогсння. В АЦП порозрядного наблинення коригувться похибки, во вносяться за рахунпк не1деальност! ваги розряд!в. У вс!х зи-падках п!дви«ення точяост! та ввидкод!* АЦП пов'язано з введен-ням н'адлииковост! в структура!. алгоритн!чн1. схемотехн!чи!, тех-нолопчн! або конструктивн1 р!шення.

В результат! анализу переваг та недолМв розглянутих структурных схем ЙЦП ! особлиеестей ¥х аналогових пристроив встановлено, до по ряду критерИ'в в системах вим!рввання та обробки сигнал!в доц!льно застосовуеати АЦП порозрядного наблияення. При цьоыу використання НПСЧ в самокоригчючих ЙЦП цього типу забезпечуе так1 переваги:

ыомлива корекц!я похибок ваги розряд!в великих значень (до 23,6% для ЦйП на основ! "золь.оК пропори!*"), а це дозволяв виго-товляти резистивн! матриц! засобаии повкрено* технолог!? 5 без пЦстройки . Цсй фактор дзэеолйс таков за рахунок самокорекц!*

забезпечити високоточне Функц!онування АЦП в широкому температурному д1апаэон1 I на протяз! тривалого часу;

моялива автокоыпенсацгя динаИчних похибок пераого £ другого виду, чо дозволяе !стотно (в 6-9 раз!в для 14-18 -розрядних пере-творявачгв) збиьвити ивидкод1п надлиикового АЦП в пор1внянн1 з дв!йковии АЦП тIеV х роЗрядност1;

ндяэнкть в самокоригувчих АЦП встроеного обчиплввадьно-н'с-руючпгп блоку длзьиляь додатково реал!зувати олгоритыи карекцН снстеыатичних похибок аналогових пристроУв, а тако« зд!йснити в ДЦП попер«Дню обройку !н*>ормац1¥.

Пок.ипно, ко з урахуванням перел1чених фактор1в самокоригуа-ч! АЦП нохуть бути пор!вняно просто реал!зован! без застосуванкк спец!альшх технолог1чних процес!в 1 на девев!й еленентн!й баз*. . 3 !нвого боку. потенц£йн! мо«ливост! АЦП на НПСЧ в план! .зб!льиен-ня точностI та ввидкод!У мохуть бути реал!зован! в повн!й Ы1р1 т!льки при ретельн1й проробц! структурных I схеыотехн!чних р^ыень Их аналогових пристроУе.

БЦзначено, во розробка самокоригуачих АЦП для високоточних систем 91шрввання I обробки сигнал1в невЦ'емна в!д комплексно? оц!нки критерГУв ефективност! 1 анал!зу метролог1чннх характеристик. Вказано, цо по гчдновенню до вказаних ЙЦП 1 систем кайб1льцу увагу необх1дно прнд!лити анал!зу динан!чних характеристик, як таких. щп не энайили «ого достатнього вЦоброяення в Д1ючих стандартах та в наукових публ1кац1ях.

За п!дсумками виконаноги игляду ( аналГлу л!тератури в парному роздШ визначею напрямки досл1даень I нан1чем! п1дходи до ви-р!веиня основних задач дисертащйноУ ройоти. Показано, «о рчэв'я-эання висунутих задач актуально не т!льки для роэвитку техн!ки санокоригувчих АЦП, але I для вир^гення критерIУв оцПповання еф«ктивиост1. для норнуеання метролог1чних характеристик", для роз-робки аггчизняних та для застосуоаиня заруб1*них високоточних АЦП в сисгеал;: вим1р»ввн№1 га иброб>:« ииэькочзсгргка* сигнал!в.

. В ДРУГОМУ Р03Д1Л1 проведено системний инал1з,вэаемозв,яэк1в параивтр!в аналогових приатроУв з иетролог1чнини характеристиками самокоригувчих АЦП системного застосування. Викладено теоретичн! положения для синтезу структур, схемотехнгки та алгоритм1в корек-ц! У аиалогових приг.троКв С АЦП.

Структурна схема самокоригупчого АЦП для систем вим1рювання та обробки низькочастотних сигнал1в

Розглянута уэагальнена "структурна схема самокоригувчого АЦП 1 запропинований показаний на рисунку под1л аналогорих лристроУв на вх!дний пристр!й, рристр!йдиснретизац{¥ 1 пристр|й квантуван-ня. До вхЦного пристроо вГднесено ,норцувч1 Шдсилввач! (НП), ф!льтри ниэькоУ частоту (фНЧ) I вузли, ли! необх!дн1 для саыоко-рекц!К АЦП: комутлтор вкод1в Ш), даерело опорно* напруги (ДОН), фьрмувач допом!мних сигнал!в (ФДС), Пристр1й дискретиэац1У и1стить аналоговий комутатор (АН) та пТдсилмзч виб1рки-збер1гания (ПВЗ), Пристр1й цаантування розглядатеи ян еукупнкть перетворврача код-струк (ИКС) та схемм лор!внлння струн!в (СПС). Керування ревииами самонорекцП АЦП та беэпосер«?днього перегворсння зд!йс-нветьсй обчисяювально-керувчяк бйокок.

Розглянуто I с ну юч I п!дходи чодо оц1нювання ефективност! АЦП у склад! [ВС. Запропоиовано використовувати на стад!У розробки ц[-льову функц1ю ефективност!, в котр!й як окреп! критерГУ висту-павть складов! комплексу норыованих метролог!чних характеристик АЦП. а як обмемення - показники вартост! та над!йност1.

Показано, ко на даний час не розробледо единого комплексу нормованих метролог(чних характеристик високоточних АЦП. особлива в частин! динам!чних складових. Для створення такого комплексу '! для ьстановлення взаемозв'яэки ы!м метролог(чними характеристиками 1ВС, самокоригуочих АЦП та Ух аналоГових пристроУв проведено анал!з матёматичних моделей похибок вх!дного пристрою, пристрою днскретизац!У {пристрою квантування. При цьому, поруч з анал!-эом статичннх ! динам!чних характеристик та момливостей Ух корек-ц!У, запропоиовано ввести ряд моделей похибок, котр! дозволяють комплексно описуилти ФУнкцЫщвашы ПЦП I лмалчгопих пристроУо в склад! 8им!рю8<зльних систем.

йнал!з модел! зхГдного пристрою показав мошлив!сть нарекиI¥ адитивноУ та мультипл!.кативноУ похибок статичноУ первдаточноУ характеристики (СПХ), а при орган!зац!У в|дпов1дного алгоритму -! нел!н!йност1 СПХ.

Для ГнтегральноУ оц!нкн амплГтудно- ! ф.пп-чактлтиих характеристик 1АЧХ I ФЧХ) вхЦного пристрою запропонирани використовува-ти вагову функц!в, значения якоУ пропориЕйн! цсереднвним значениям модуля ц1льност.1 спектру вх!дного сигналу £{»)••!1нтеграль-ну нер!вном!рн!сть АЧХ при цьому мо«на эобразити у вигляд!:

л'~' '(¿..¿ел* Р^1

де и>* 1 и)й - в1дпов!дно верхня 1 -ниш границ! в-'1дного д!апа-эону частот; и>. - опорна частота; ¿(а)- функц!я АЧХ.

Для оц!нввання властивостей ФЧХ запропоновано використовувати

значения штегральноУ нел1н!йн1ст£:

(2)

де Щш) - функ^я ФЧХ; 1?*(и>) - лШйна частина ц(и/).

• Як!сть ФНЧ у смуз! подавления .запропоновано характеризувати коеф!ц1ентоы антинакладання спектр!в:

|3)

) ЕН Д{и>)с{иг

де - частота дискретизац!? АЦП.

Для оц1нювання нел!н1йних спотворень I вум!в ех1дного прист-

рой I дискретизатора обрано метод анал!зу спектру вихЦного сигналу ЙЦП. При цьону вхЦний сигнал формуеться у вигляд! гармонМно? напруги //«, (¿) = Цо&л(и)01 * Уо), а вихЦна цифрова посл!довн1сть пЦлягае ивидкому перетвореннв Фур'е. Доведено, цо при такому пи-ход! 1'оаливо такоа визначення одн!е¥ з найваялив1иих динам1чних характеристик ПВЗ -середньоквадратичного значения часу апертурноК яевизначеносп:

де I еНн - напруги ку»1в на виход! АЦП, одераан1 при вим!-

риваннях на високих из^ 1 низьких о?«« частотах в1дпов1ДНо.

При виведен«1 формули (4) показано, цо вплив 1Л на низькочас-

тотному вх!дному сигнал! неэначний, а вплив початковоК фази мосна

вилучнти за рахунок усередненкя результата вии!рпвання. Отав,

зростання шум1В на висок!й частот! обумовлигться проявок

т

{ц , «о ! використовуеться в запропонованГй методиц! вим1рювань* Для аналогового комутатора ! ПВЗ розглянута такоа модель ле-рехиного пронесу, яка складаетьея » лмМйноУ 1 експоненц1йно¥ делянок. 3 метоа розрахунку похибки усталення вих!дного сигналу

(4)

розройлшм ирограма в еередовии1 матенатичного пакету MathCßD.

Проведено анализ статичних i динам!чних похибок прйс'троа квантування САЦП. ВЦзначено, цо параметри 1нтегральноУ i диферен-цiйнот нелiniHHocTi практично стали загальноприйнятими. В той яв час для анал1зу динам¿чних похибок квантувача, як правило, корис-тувться експонежМйнов моделлю. яка неадекватно в!дпбравае пере-xlAHt пронеси пiд час аналого-цифрового перетворення. Запропонова-но модель nepexiflimro процесу, в як1й для конного !з такт!в перетворення Браковано: час затримки вв!мкнення I» i винкнення 1п розряду ПКС. перехЦну комутац1йну переыкоду амплпудои Ал i nocTiftHoo часу Т„ , двоетапний процес усталення.. ¡»омпенсуючого сигналу в СПС з ампл1тудов I At ., пост1йними чаг.у tt { Г, ( 4, > Ai, Г, < Т, ). При цьому процес вв[мкнення розряду ПКС у ви-глад!' напруги на виход1 п!дсилювача струму СПС мояно записати як:

L ■ . ±i* .Lü<

де Q„>(1)*[0,t\- функ(пя переиикання розряду ПКС. При вимкненн! розряду:

i .Li» .Uu

иГ({)- дйetnr а -<vM е г' , й,е r' I <в>

Наведена модель перех1дних процес1в досл1д«ена засобами пакету MathCflD.

В результат! проведсюго аналгзу матемагичних моделей анало-гових пристроив виконано систематизац1в i Формувания комплексу иормованих метролог¡чних характеристик. До статичних складових комплексу в 1днесено такi параметри та похибки: розрядн!сть- ви-хЦниго дв!йкового коду; систеиатичне значения ^бсолвтиоУ похибки СПХ; роэд!льна зд*тн!сть; ¡нтегральна нелйийн!сть СПХ; диференц^льна нел!н!йн1сть СПХ: адитивна похибка СПХ: мульти-

- 14 - ' .

гшкзтивна похибка СПХ; напруга цо приведена до входу;

вх1дн! оШр, еьшсть, струм виикання.

Динам1чн1 характеристики САЦП запропоновано визначати з цра-хуваннам таких складових: час перетворення: пгтегральна нер1вн0-Ы1рн1еть ЙЧХ; 1нтегральна нел1н!йн1сть ФЧХ: похибка вЦ антина-кладання спектров; коеф!ц!ент .нел'Шйних спотвореиь; коеф1ц1ент Р1зницевого тону; вЦношення сигналу до шуму дискретизацН та квантування; систематйчне значения апертурноУ похибки: середньо-квадратичне значения часу апертурноУ невизначенност!: похибка в!д недоусталення при перейиканн1 вх1дних каиал1в: похибка в!д взаемо-впливу м1м каналами.

ТРЕТ1Й Р03Д1Л присвячено розробц! та дослЦиеннв структурних та схемотехн1чних р1вень аналогових пристроУв САЦП для систем ви-м1рювання та обробки низькочастотних сигнал1в: вх1дного пристрою, пристров дискретизац^У та пристров квантування.

При ррэроШ входного пристроо досл1дмено нормуич! п1дсилвва-41, фгльтрк НЧ Г дверела рпорноУ напруги (ДОН). Показано, но для високоточного вншровання вихЦких напруг датчнк1в ф!зичних величин нео£>х!дне внесения п1дсилпвач1в в контур цифровоУ корвкц1У. Для виитрввальних пгдсилпвач^в вид!лено похибки, як! коригувться 1 так1, мо не коригувться, Запропоновано схемотехн1чн1 р!мення програмованих пЦсилввач|в та охЦних к1л, в яких м1к1м(зовано похибки, «о не коригувться. Експериментальн1 дослЦдення програмованих- п1дсилввач1в показали мовлив1сть одервання п!сля самокорек-Ц1У значения приведено!' похибки не б!льве 0.02 У. при вхЦному д!а-пазон! напруг 100 мВ.

Для п1дсилввач1в з гладкое нел!н1йн1ств СПХ запропоновано метод поточечноУ корекц!У нелШйност!. котрий не потребуе застосу-вання додаткових прециз1йних еле ,ент1в. Корекц1я зд!йснветься за допомогою процесора, ао Входить до складу САЦП. При оц1нвеанн!

ефективност! метода показано, цо для зниаення нелintfiHocTi, напри-клад, з 0.1 У. до 0.001 У. необхЦне застосування тридозрядного коригуючого ЦйП. зач!сть 12-розрядного, як в прототип!.

Роэглянута задача вибору активних ФНН для вх!дних пристроив СА1|П. Про.лиал!зованГ особливост! (рfльтрtв Еаттярворта, Чебииева I Бесселя. Рекомендовано застосування льтртв Оаттерворта, sai характеризуются компром!сним набором параметр{в. Наведена приклад розробки ФНЧ з використанням программ схемотехн!чного анализа.

Запропонова1и схемотехн1чн! рвения високоточних термосм-тованих ДОН. приведено розрахунков! I експерирентальн! дан!, ¡¡¡о п1дтверднують Yx ефективн!сть. Так. температурний коеф{ц!ент ста-б1л1зац1Y напруги термостатованого ДОН а к1льцевии в1дбивачен струму складае 0.3*10'Ь1/'С. , 1

Пристр1й дискретизацП САЦП розглянуто як такий, цо склада-еться ¡з ПВЗ та аналогового коиутатору. За основу для побудив» ПВЗ обранп структуру 1нт8граторного типу з мостовин д!едним кличем (ИДИ). Побудована матеыатична модель, цо огшсуе залеянкть нвл!н!йних спотворень I часу виб1рки вiд початкового струву НДК. Одераано числов! результату як! п!дтвердвено схеиотехн!чним мо-делзванням ПВЗ на ПЕРМ. Так, наприклад, показано, ци для забеэпе-чення нелiнiйких спотворень ПВЗ на piBHt 0.0015 У. при емностi конденсатора збер!гоння 500 пФ i частот! вх!дного сигналу 20 кГц, початковий струн ИДК повинен бути не меняны 1.7 ыА. При цьоиу час аибiрки з похибкош 0.001 У. складае близько 4.0 икс.

Для зб!льиення «видкод1У ПВЗ запропоновано структур!! з за-левним вiд часу струмом МДК 1 з попередн!м пЦсилювачем струму. В названия структурах струм досягав свого максимального значения в початковий момент виб!рки i експоненц!йно спадае до моменту 11 зак!нченнл, «о зиениуе спо«ивану потувнкть (у розглянутому приклад! в 16.8 раз). Проанал!зован! дикам!чн1 похибки i розроблена схема попередньоги струмового п!дсийзвача ПВЗ. Час виб!рки П03 э

- 16 -

похибкои 0.001Х вдалось зыениити до 2.0 икс.

Розглянут! екПвалентн! схеми аналогових кимутатор1в i 3aU|<o поновано piшення для зыенвення похибки в!д прямого нрохидииння сигналу ( ь приклад! - вIд ы1нус 56 дБ до Miнус 96 дБ, тобто в 100 раз).

Структурн! та схеыотехн1чн1 особливост! пристрою квантуван-ня СЙЦГ1 розглянуто стосовно перетворввача код-стум ПКС та схеми пор1ьняння струм1в СПС. Визначен! вимоги щодо точности темпера-турноУ i часовоУ стаб1льност1 вузл1в пристрою кваитування, вказа-но на шляхи Ух забезпечення за рахунок схемотехн!чних р!вень, Тем-пературний коеф1ц!ект вих!дного струму ПКС складае не б1льве l0Q*10"fc 1/ "С, температурний дрейф вхЦного струму СПС - 10 нА/*С. Одержан! значения статичних параметр!в дозволяють реал!зувати за-соблми дигкретноУ та'МбридноУ технолог)? 16-.?0-роэрядн! САЦП для роботи в д1апазон! температур в1д м1нус 30 *С до -»70 "С.

Проанал1зоиана лохибка суперпоэиц1У ПКС 1 в лроцесf моделв-вання резистивноУ матриц! доведено, «о зазначена похибка не моае бути скоригована i повинна бути зменшена схемотехн1чно.

Доел 1д*ено tiepexiAHi процеси в д1 одних струмових ключах та одержано експериментальн! залеаног.т! и!к чначинням струму розряду. емШитю ил^ментiI), амплитудою к^руючого сигналу I .^тринк-чи ми-ментie вн1мкнення та вимкнення струму. В роэробленому ПКС при м!н!мальному струм! роэряду 300 мкй час цоталвння струму з по-хибкою 10 У. складае 150 не.

3 метой зб1лыиення ивидкод!Y СПС запропонована й експернмен-тально досл!д»ена структура струмового п!дсиливача з двоступ!нча-тим и1д'>;мним 'juopmiilM ов'яэкоы. Пост1йии часу П1!рех1дного про-цзеу склала 100 не, но в 2-3 рази менее, nil при простому зворот-ньому зр'лзку. Одержана швидкод!я ПКС I СПС дозволяе_ в 16-розряд-ному СГ.ЦП при аикористани! адаптивного способу посл!довного набли-«ення з автоконпенс.эц!ер динан1чнйх похибок скоротити час одного

- 17 -

такту до ЗСО не. а загаяьний час паретворення до 7 мкс.

ОсновнГ вуали досл!д«ених аналогових пристроУв виконаИ у виглядi г!бридних ¡нтегральних схем.як! пЦтвердили свои ефйктив-н1сть при робот! у склад! САЦП для виепкоточних fнформац{ймо-9им1-реэальних систем .

И ЧЕТВЕРТОМУ Р03Д1Л1 розглянуто приклади практично! реал1за-ц!У САЦП . вим1рввальних систем та коиплекс1в з використанкяи роз-роблениих в дигерта^У аналогових пристроУв. Показано, цо най~ б!льа ефективно СЙЦП в склад! систем вим^кшаннм та обробки низь-кочастотних сигнал!в розв'зушть задач! високоточного ператворен-ия абсолвтних значвнь пост!йного струну та високолШйного пере-творення сигналов ннэьких (зэукових) частот.

Периий напрямок представлений м!кролроцесорним 18-розрядним вим1ршвальним перетворввачеи САЦП-ИКЗ i системою атвстацИ тен-зоелемент!в (CAT). Другий - високол!н!йним ввидкод!ичим 16-розряд-ним САЦП-021 ! анал!затором параиетр!в звукових тракт is (ЙПЗТ).

f

Для вказаних вироб}в розглянута специ<?1ка в1дпов!дно¥ розробки, наведено структурн! схеми, описано особливост! аналогових пристроУв, алгоритме корекц!У похибок.

OcHOBHt TexHi4Hi параиетри САЦП-НКЗ : д!апазон ях1дних напруг ч 10 В; розрялн!пть вих!дного дв!йкового коду - 18; час перетвор*ннм - 500 мкс; абсолютна похнбка - не (пльае (400 + + (Ubx [В] /10)+ 500)) мкВ; {нтегральна ! диференц!йна нел!н!й-ностI - не б1льше 0.002 '/.' робочий д!апаэон ?мператур - В1д «1нус 10 *С до + 55 "С; ылса - не б1лыие 1.5 кг.

Пс но ян i TexHi 4Hi параметри САЦП-021 ; д!апазон вх!дних напруг i 5 В; розряднкть вих1дного дв!йкового коду - 18; чар пе-ретвпрення - 10 нкс; д!апазон частот вх!дного енгнолу - в 1д 0 Гц до 25 кГц; коеф!и!ент нел1н!Яних слотворень - не бtльше 0,01 '/.; вЦноаення сипвд/зун - не иенае SG дб; маса- не б1льае 2,0 кг.

- t& -

На приклад! CRT продемонстрована мовлив1сть введения в контур кореш* статичних похибок не т!льки електронноУ, але й меха-н!чноУ частин виы1рювальноУ системы. СЙТ впровадввно як складо-ву частина контрольно-вим1р»вальноУ системи атестац!У тензомодул!в при виробництв! датчик!в тиску на AT " Манометр " (м. Носква).

В ЙПЗТ реал!эовано корекц!в як статичних. так t ряду динам!ч-них характеристик аналогових пристроУв. Запропоиовано алгоритмы корекц!У АЧХ i ФЧХ Ф1льтр1в НЧ. Алгоритми обробки сигнал¡в, «о вккористовуються в ЙПЗТ, грунтуються на результатах дослЦкень комплексу нормованнх метролог1чних характеристик та метод!в Ух ви-м1рввання. ЙПЗТ пройвов метролог!чну атестац1в в ДШ " Система " См.Льв(в) i впровадкений в Укртелерад1окомпан!У як автоматизований зас 16 вим!рввання параметр!в м!«м!ськнх тракт!в звукового мовлення.

Основнt результати та висновки

1. Запропоиовано при проекту8анн1 IBC, самокоригуючих АЦП та Ух аналогових пристроУв використовувати методику анал!зу, в як!й критер(яыи для оц1нввання ефективност! е складов! комплексу нормованнх метролог!чних характеристик. За допомогов експерименталь-них досл!дмень розроблено математичн! модел! аналогових пристроУв ЙЦП i IВ С. На основ! цих моделей визначено статичн! та динам!чн! складов! комплексу, досл!дяено коригован! та некоригован! похибки та встановлено Ух взаемозв'язок.

2. Запропоиовано Ьпегральн! оц1нки HepiBHowipHocTi АЧХ, нел!-нiйностi ФЧХ. похибки антинакладання спектр!в у вх!дному пристроУ,

В ЯКНХ UpdXOHOCdllU CIICKIpdJIblli ХараКТСрИСТИКИ UXUHOTU СИГНйЛу;

3. Розроблена методика вим!рввань та отримана анал!тична за-леян!сть середньоквадратичного значения часу апертурноУ невизна-ченост! пристрою дискретизац'У в!д спектру вих!дного сигналу АЦП.

4. Запропонована математична модель перех!дних процес!в в пристроУ квантування, ко эрахоеуа затримки bbIkkiishhs роэряд!а

ПКС, riepex!днi переикоди i двоетапний характер усталення сигНалу на виходf СПС.

. 5. Розроблен! та дослЦвен! структура ! cxeuoTexHiMHi piаен-ня аналогових пристроив САЦП та ¥х вузл!в: вим!рвз<шнога вача, активного ф!льтра НЧ, термостатованого дяерела опорно? нап-руги, прециз|йного аналогового комутатора, пЦсилювача виб1рки-збер!гання, перетворввача код-струн, схеыи пор!вняння стриа!в.

8. Запрсшоноаано та досл!дкено метод корекц1К похибки яIнiЙ--ностi СПХ вим1ривальноги пЦсилвьача i метод корекц!Y нер!энпагр-ностI АЧХ i нелiHiftnocri ФЧХ ФГльтр!в НЧ.

7. На основ! дослЦкень аналогових пристрогв га метод1в "fx KopeKiit'i розроблен! досл1дн! зразкк ряду вироб!в, в числ! яких; • вим1рювалы1ий 18-роэрядний аналого-цифровий самокоригувчий пере- ' творввач САЦП-МКЗ; авидкод!вчий 16-розрядний аналого-цифровий саиокоригувчий перетвориаач СйЦП-021; вимгрявальна систем атестацП тенэоелемент(в CAT; аналпатор параметрie звукових тракт!в ЙПЗТ. Вказан! вироби виробляються в СКТБ "Модуль" ВП1 i запровадаен! в рлдi орган!эац1й ЯкраЧнн та СИД.

Оснивиий змiст роботи викладено в лубл¡кац!ях:

1. Крупельницкий Л.В. Аналоговые устройства самокорректирующихся йНП //Вопроси проектирования и практического использования ПФИ в управляющих и вычислительных комплексах.Тез. докл. республиканской конф.- Одесса, 1940,- С.112-113.

2. Крупельницкий 11.В. Коррекция статических и динамических погрешностей аналогових устройств я г.лмокорректируюцихсч йЦП // Проблем и создания преобразователей рорни информации. Тез, докл. 7-го симпозиума,- Ки^в, 1992.- С.78-73.

3. Стейсклл В. Я., Крупельницкий Л.В., Рафалюк ft.ii.,/1нс»к В,П. Быстродействующий преобразователь код-ток в гибридном исполнении для 'Высокоточных преобразователей форма иифьркаиии //Технология

ГИС и вопросы их производства. Тез, докл. Второй Всесовзней научно-технической конф,- Ярославль, 1988,- 4.2,- С.108-109.

4. Азаров А.Д., Стейскал В.Я., Ствпайко D.U., Крупельницкий Л.В. ГИС устройства сравнения токов // Там «е.- С.106-107.

5. Азаров й.Д., Стейскал В.Я., Крупельницкий Л.В., Герасим-чук В.В. ГИС термостатированного источника опорного напрввенив // Там ib.- С.114.

6. Высокоточный самокорректирующийся микропроцессорный аналого-цифровой преобразователь САЦП-УКЗ, Стахов А.П., Моисеев В.П.. Стейскал В.Я., Лысвк В.В., Крупельницкий Л.В. и др. // Приборы и техника эксперимента,- 1989,- N 1.- С.97.

7. Высокоточный самоиорректирувцийся микропроцессорый преобразователь САЦП-МКЗ. Стахов Й.П., Моисеев В.И., Стейскал В.Я., Крупельницкий Л.В.,Майстри«ин В.Я.//Информационный листок о научно-техническом достияении N 88-006 .- Винницкий ЫТЦНТИ..1388.-5 с.

8. Азаров А.Д..Стейскал В.Я.. Крупельницкий Л.В., Коваль 0.6. ГИС термоститированного источника опорного напряяения для самокорректирующихся ПФИ//Проблеш» создания преобразователей формы информации. Тез.докл. 6-го Всесоюзного симпозиума.-Киев,1988.-С.201-202.

9. Моисеев В.И., Стейскал В.Я., Крупельницкий Л.В.. Иайстри-■ин В,Я. САЦП-МКЗ - микропроцессорный аналого-цифровой преобразователь на основе кода "золотой пропорции"// Там ве.- С.127-128.

10. Моисеев В.И.. Крупельницкий Л.В., Майстрияин В.Я., Ле-вачкова И.С. Измерительный комплекс линеаризации характеристик датчиков на основе самокорректируввегося микропроцессорного АЦП. //Там яе.- С.71-73.

11. A.C. N 1485309 СССР, ККИ G 11 С27/00. Аналоговое запоминавшее устройство / Азаров А.Д., Стейскал В.Я., Голубев А.П., Крупельницкий Л.В. - Опубл. 07.06.89., Бол. N 21.

12. A.C. N 1495993 СССР. ККИ К 03 И 1/26. Аналого-цифровой преобразователь / Стахов Й.П., Моисеев В.И., Стейскал В.Я-., Ла-

- 2i -

сек ß.B.. Рафалзк A.E., Васильева Т.Н., Крупельницкий Л.Б;, Майст-риаин В.Я. - Опубл. 23.07.89, Бил. N2?.

13. A.C. N 1523434 СССР, ЫКИ Н 03 К 5/24. Входное устройство cxeuu сравнения токов / Азаров А.Д., Стейскал В.Я., Сгепайко 8.И., Крупельницкий Л.В.- Опубл. 15.12.89, Вол. Н 46.

14. A.C. Н 1534440, ИКИ 8 05 F 1/56. Стабилизатор постоянного тока / йзаров А.Л.. Стейскал В.Я., Крупельницкий Л.В., Зол-ков В.П.- Опубл. 07.01.90. 0ол. Ш.

15. A.C. К 1552231 СССР, Ш G 11 С27/00. Аналоговое запокч-иавщбе устройство / Азаров А.Д., Стейскал В.Я., Голубев А.П., Кру-. пельницкий Я.В. -'Опубл. 23.03.90., Бвл.М 11.

10. A.C. 1571761 СССР НОЗ Н 1/40. Аналого-цифровой преобразователь / Стахоэ А.П., Моисеев B.Ü., Крупельницкий Л.В. и др. -Опубл. 15.06.90, Бол. N 22 .

. 17. A.C. Н 1591182, МКИ Н 03 й 1/46. йналого-цифрсэой преобразователь / Крупельницкий A.B., Стзйскал В.Я., Азаров А.Д.,Иоисе-ев В.И. - Опубл. 07.09.90, Бвл. Я 33.

18. Рафалви А.Е., Стейскал 8.Я., Крупельницкий A.B. Высокоточное нитеграторное аналоговое запокинавдеэ устройство // Ь'етоди

и «нкрозлектроннне средства цифрового преобразования и обработня сигналов. Тез. докл. кокф.- Рига, 1990.-Т.1.- С.52-54.

19. Крупельницкий Л.В., Лысвк В.В.^'йуико О.Г. Термостабильгшй преобразователь код-'ток повнвеиного бастродействия/Лам «е.-С.34-3§,

20. Голубгз А.П., Крупельницкий Л.В. Йнкишзаций погрк*нос-тей восстановления звуковых сигналов в цифроаналоговом преобразователе //Там яе.- С.21-23.

21. йоисэев В.И., Стейскал 0.9., Крупельницкий Я.В. 5Лок преобразования $зрки информации для измерителя г.зраивтров■звуко-ввх трактов // Проблемы »• перепекши раэзития цифровой- 'звуковой техник«. -Тез. доил, второй Всесоюзной кзцчно-техничкской конф,-Ленинград, 1S«S0.~ С.53-36.

■ - гг»

22. Кайстриаин В,Я., Крупельницкий A.b., Стекскал B.Ü. Пара дельно-последовательний АЦП на основе йзбыгочншс с-асген счисяек« // Там «е.- €.98-93.

23. Майсгриаш fl.äL, Йеаачкова И.С.. Крупельницкий Д.В. Мод лнрование статическая погрешностей lfi-разраднйга сзмокоррентиру* яагося АЦП // Вопроси проектирования и практического использован« Ш в управляваих и вычислительных комплексах. Тез.докл. республ» кансиой конф.- Одесса, 1990,- С.52-53.

24. Червинчук H.A., Стейскад В.Я.. Крупельницкий Л,В, Автоматизация контроля параметров трактов звукового весания //Контроль и управление в технических система*. Тез.докл.научно-технической конф. стран СНГ. - Винница. 1992.- £.103.

25. Крупельницкий Д.В., Годубеа Й.П., Познан A.B., Само-зуб В.В. Анализатор параметров звуковых трактов на базе самокор-реитируадийхса АЦП и ПАП, сопряаеннах с ПЗВЦ // Проблема создание преобразователей foptiu информации. Тег. докл. 7-гс симпозиума.-Киев. 1992.- СЛ23-124.

26. Высокоточный измерительный контроллер дла работы с датчиками физических величин.Иайстривин В.Я., Скалозуб В.В., Стейс-кал В.Я., fiucc« B.Ü..Крупельницкий П.В., Голубев А.П.// Так 28.-С.5?-58.

2?. Положительное ревение па заявке К 467752? СССР, о?

11.04.88. Входное устройство сдоэш сравнения токае. / Азаров Й.Д., Стейскал В.Я, Степайно 13.У., Крупельницкий A.B.

26. Положительное peaeiius • по заявке N 7663350 СССР, от

20.03.89. Аналого-цифровой преобразователь. / Стахов А .'П., Моисеев В.И.. Крупельницкий Я.В. и др.