автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи с улучшенными метрологическими характеристиками

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТРУБИЦКОВ Сергей Владимирович

УДК 621.317.725

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.11.05 — «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1994

Работа выполнена на кафедре «Информационно-вычислительные системы» Пензенского государственного технического университета.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники России,1 доктор технических наук, профессор Шахов Э. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Г. П. Шлыков; кандидат технических наук А. А. Журин.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

на заседании специализированного совета Д.им.18.1)1 Пензенского государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Защита; диссертации состоится

Автореферат разослан 1 _ 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

к. т. к., доцснг

Ю. М. Крысин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

Актуальность работы. Интегрирующие АЦП (ИАЦП) отличаются самой высокой точностью, их применение непрерывно расширяется, петрологические характеристики ИАЦП ' улучшались по мере ювершенствования элементной базы, но наиболее заметный качественный скачок в их развитии произошел в 70-е и 80-е года Злагодаря началу широкого использования весовых функций (ВФ). Звпрерывное расширение областей применения ИАЦП определяет зеобходимость их дальнейшего совершенствования. Круг зервоочередных задач, решение которых затруднено на основе зэвестных методов построения 1ШЩ включает: \

1) снижение случайной пограшнссти ИАЦП, обусловленной собственными шумами схемы; ,

2) снизенив погрешности нелинейности.

Это предполагает разработку принципиально новых методов и структур иите грируккего' развертывающего преобразования, 5беспечиваюсих улучшение метрологических характеристик.

Собственные шумы ИАЦП содержат низкочастотную' и высокочастотную составлявшие. Hepa борьбы с ними существенно зазличаются. Например, наибольший эффект подавления птзкочастотной составляющей достигается применением специальных зесовых функций. Однако в этом случае возникает : специфическая погрешность от накопления ошибки квантования. -Устранение этой ¡огрешости позволило бы полностью использовать преимущества ВФ в ¡орьбе с низкочастотными шумами. Для уменьшения влияния шсокочастотного шума увеличивают время интегрирования, усредняют юзультаты отдельных- измерений, ■'■ применяют интегрирующие йшараторы и специальные весовые функции. • Отличаясь высокой ффективностью, . последний метод -резко усложняет схемную юализащ® ИАЦП. Поэтому, представляется актуальной проблема гоиска новых и . совершенствование известных способов снижения :лучайной погрешности от собственных шумов.

. Погрешность' нелйиёйностй' ИАЦП в основном определяется :ачеством активного интегратора. Поэтому, актуальной является разработка алгоритмов и структур, инвариантных относительно параметров интегратора, либо позволяющих существенно снизить ребования к линейности последнего.

Цель работа и задачи исследованиям Целью работы является

разработка новых алгоритмов и структур ИАЦП с улучшенными метрологическими характеристикам« и малыми аппаратурными затратами на реадазацию. Для достижения поставленной цели е работе решались сладувдие задачи: ;

1.Систематизация методов интегрирующего аналого-цифровогс преобразования с целью обеспечения единства математическогс описания, терминологии и методов анализа.' "

2. Идентификация динамических характеристик подкласса ИАЦП с ЦиП в цопи обратной связи.

3. Анализ существующих методов повышения метрологически характеристик НАШ, првщ& всего снижения погрИНЕССТ. нелинейности и случайной погрошаости от собственных шумов.

4. Разработка новшс штодов снижения случайной согрвшносп ИАЦП путем применения штегазирующих устройств сравнения, 1 которых интегрированию подвергается не. сам выходной сигна интегратора, а сформированная из него знаковая функция Исследование статических и динамических характеристик разработанных ИАШ.

5. Совершенствование алгоритмов, структур и отдельных узло ИАЦП, обеспечивающих исключение накопленной погрешност квантования при реализации знакопеременных ВФ, получение высоко линейности характеристики преобразования ИАЦД при невестки требованиях к линейности используемого в нем интегратора расширение динамического диапазона ИЩ1 при преобразована сигналов малого уровня.

6. Экспериментальная проверка и внедрение части выполненна

разработок.

Методы исследований. В работе использовались методы твори сигналов, методы математического анализа, вероятностного имитационного моделирования на ЭВМ, экспериментальна исследования.

.Научная новизна работы заключается в еле душем:

1. Разработана обобщенная структурная схема ИАШ, в которз "вписываются" все известные алгоритмы, интвгрируювш аналого-цифрового преобразования и которая моает служить основс для их систематизации.

2. Проведен уточненный анализ влияния собственных зугюв 1Ш на его точностные характеристики. Дано.теоретическое обоснован

эффекта смещения оценки мато&адания случайной погрешности ИАЦП, обусловленной воздействием собствэнных шумов.

. 3. Предложена динамическая модель ИАЦП с ЦАП в цепи обратной связи, позволяющая впервые рцекить динамические -характеристики-преобразователей данного типа. •

4. Предложены и исследованы новые структурно-алгоритмические методы снижения случайной'погрешности ИАЦП от собственных шумов, практически ш влияющие на быстродействие преобразователя.

5. Предложена методика вероятностного моделирования с использовагаем графа состояний системы в дискретные момента времени для оценки статистических характеристик случайной погрешности при реализации раздачньи. методов сникония последней.

Практическая ценность. 'В результате .". теоретических исследований вдиссертационной работе:•'-';.■■■-■ ^ . * .

1. На основе предложенной обобщенной структуры .интегриругадас АГО, проведена/систематизация -ИА1Ш';. по наиболее' существенным признакам. При этом, -обеспечивается единый подход к анализу статических и дггнамическ'лх характеристик ИАЦП.

2. В результате решения задачи идентификации интегрирующих АЛЛ следящего уравновешшания': с, ЩП в цепи обратной связи ■■Показано, что. при ' дзнжонш . "в большом" они. ведут . себя как замкнутые импульсные системы, а при движвшш "в малом":проявляют все черты интегрирупцего развертывающего преобразования.

3. На осноЕе проведенного анализа влияния собственных -шумев''. ИАЦП получено уточненное уравнение преобразования, позволяющее оценить случайную погрешность НАШ.

4. Предложены две разновидности нового алгоритма работы ИАЦП, позволяющего путем интегрирования знаковой Функции, формируемой устройством сравнения из выходного сигнала интегратора, снизить случайную погрешность от собственных шумев.

5. Для ецч>??ки : эффективности нового алгоритма разработаны '¡шч5рт*к я»г«.>1г?'.-.-.йтного моделирования с , испольговзвиегг .?рафэ . с~ . < л . 'ой счстса, функционирующей в дискретном о]у л . '<" то предло&еншй алгорита полностью устраняет г. кидания случайной погрешности оч сс'откнннх

'' . т ее дисперсию.

Ирсдл ч': гчЯ способ" ум«»нылепия случайной погрешности . '.ЦП л/1'" значений выходного напряжения .интегратора в

начале и конце цикла преобразования па знаковой функции. Методом вероятностного моделирования показано, что данный способ устраняет смещение оценки случайной погрешности и значительно уменьшает дисперсию.

С использованием системы линейных уравнений Колмогорова получено предельное распределений вероятностей состояний системы (и соответственно распределение случайной составляющей погрешности), что позволяет в процессе исследования динамики системы оценивать степень эффективности выбранного сочетания параметров системы, т.е. быстродействие ИАЦП.

Методом имитационного моделирования исследована зависимость динамики и длительности переходного процесса АЦП реализующего данный способ от конкретных параметров схемы.

7. Выполнены разработки ряда ИАШ и их узлов, реализувдих предложенные способы улучшения метрологических характеристик.

Реализация работы. "В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены:

- АЩ и ЦАП в составе аппаратуры уилоткення вторичных каналов связи на предприятии N5209 (г. Пермь);

- АДП для радиометров СВЧ на предприятии ШШИ (г. НидниЯ Новгород);

- АЩ и ЦАП в составе система мвтрологичбской аттестация датчиков на предприятииШ)Ш (г. -Пенза).. '

Апробация работы. Основные результата работа база додое^ш п обсувдены на . Всесоюзном симпозиукэ "Проблемы создания преобразователей форш информации" (г. Киев, 1983 г.), на Всесоюзных конференциях"Метода и мвфозлвктроншв средства цифрового преобразования и обработки сигааяов* (г. Рига, 1986 г.) и "Методология измерений. (дадарительаыапроцессы, нх подготовка, - планирование, организация. прсшададю, обработка ш представление результатов)" (г. Ленинград»; 1992 т.), на научно-технических конференциях профэ ссорско-првшадвватвлыасого состава Пензенского политехнического института (1985-1994 ¡я«.).

публикации .До результата* исследований и разработок, выполненых в процесса рабсш над дасовртаиивй, сшу<Зликовано 12 печатных работ, в тон числв З авторсюп свидетельства.

Структура, иобгаи дисседрюидга. Дюсерташюнная работа состоит аз введения» Ч глав,- заюаочааия. списка литератур, 2

6

приложений к содэрккт 221 страницу основного текста,

иллюстрируемого рисунками и таблицами:на 79 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

. Во введении дана характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность, темы, сформулированы цели и задачи исследования, выносимые на защиту положения и результаты.

В первой глав? на основании анализа известных алгоритмов и соответствующих им структур• интегрирующего развертывающего преобразования разработана обобщенная структурная схема ИАЦЯ.

Данная схема (рис.1) включает интегратор И, устройство управления УУ. устройства перемножения Пг и По соответственно входного сигнала и^сг) на весоБу©' функцию ■■''&,.( О и опорного сигнала ио на которая названа функцией представления

промокуточной величины, Формтровгитель С-ВФ весовой функции б (Ю, формирователь ФС-П функция предетзв.теияя и интегратор КФП

функции представления. Для даз-ной обобщошгой структуры адеалпзированная функция прообразе, вагт'я в код II мокет бить

записана в ввдэ

1: ,% а №

к = в § <г)сп = е—2-1 и

® о

. ( 1 5

где 6 - постоянный коэффициент, физический смысл которого ощ>еделяется когафетшм КФП.

Из выражения (1) видно, что для получения цифрового отсчета N необходимо подвергнуть интегрированию функцию представления б0(1) в течение интервала времени с помощью интегратора

функции представления УШ. СНГ-формирует функцию g0(t) путем выделена гор'ч-'ггт значений выходного яэлрякнеяпя интегратора

Т» \

-

С- . •<* дияа'.сгеускптг" спаЗстз сезболсе стеествокао • .на КАШ развортгоаг-ззого урав:-!-:

: л „ следящего ррзЕКСБзйНвакцого прооО.г^г • V:

Т-'-.о:, обуслэвяонно, квк' показано в р-;Пс:л» а;-::г-;.швьъ&а процесса урдвновэпкл-йякл.

Г'ТЛч раздол^ь сягдянгз ЙЙШ1 по какому прззяз»<у.

i; W

¿к ta Uz ht

ùtS

как число квантованных значений, принимаемых фун. '¿иЧ представления В этом смысла булрм различать сладяпшэ НАШ

с двухуровневой- функцией ео(Ъ) и, следящие- ИАШ1 с многоуровневой Функцией г (г)..• •

, Следящие ИЩ1 с многоуровневой функцией. представая»? в классификации ' группу мало - изученных и неоправданно редко применяемых на практике НАШ с ЦАК в цепи обратной связи. В этих 11АЩ1 совокупность узлов ФЭ1 в По представляет собой последовательно соединенные АЛЛ я ЦАЛ, причем на вход ФФП (т.е. АШ :лгновонннх , значенкГП поступаем периодическая последовательность "мгновеякнг' выборок выходного напряжения "интегратора-'И, а его выходной код есть числовое значение функции представления £о(1), а роль Г.И| .моязт выполнять, например, накашкваккй сумматор. -

, '. Согласно обобщеннойструктсркой схеме процесс преобразования •

в КАПП разбивается на:два этап:■преобразование, входной величины

в проывпуточнуп £0Ш л просс'рззовапие .-последней в код К с

помсщьэ 1МП (рас.1). В ото» случае, основные источники погрешности

будут сосрэдоточенп в- узллл, ссущэствляящих первый этап

преобразования, т.о.-о ■■ аналоговой интеграторе И. Таким образой, с

-учетом реальных параметров.-схош первая часть цдиалнзированного

уравнзтггя преобразования (1) пвиЕнмает над:' " 'X. '. '!с ■

Л

ц-= е = а—кл^тугш .■дн. ( 2 )

Л Л

^ . - г ' :.'.

- ^ * ■

-Поэтому -пря .анализе- новой- составляющей ■ погрешности ШШ

задала сводится к оценке АБ, а коэффициент.при.ДН есть "вес" этой составляидей.-

Яз основе проведенного з работе анализа существуетих методов сниаеаия пегрейноста нелянейвостк показано, что. на сегодшшшй-день кз существует достаточно эффективных' средств разрешения возникаете' противоречий. при' -попытках' умеаьщть' ее, поэтому эта задала остается - .актуальной.- Один из возмошк '.путей 'ре/ реиенгя (особзназ црд создав! прецизионных НАШ) состоит в использовании 1ШШ с шогоупошевей &,(*)•

"... Д'э.чэ л тем, что в ИЩ- дзико1*о йо^асоа "г^нтр ответств«¡сгссгг- зз точность (проэдэ ¡у.-оуо лод&Пчость) а»з»-г:сч

к ФФП Ш. Практически вто означает, что задача повышения линейности в этом случае сводится к созданий' высоколкнеИного малоразрядного НАЛ, что на практике может оказаться лзгче, чем создание прецизионного интегратора.-.-'■••

Б данной главе так же проведен анализ методов сшжкия влияния собственных -■: низкочастотных шумов на точность . преобразования ИАЦП. Отмечёно, что наиболее эффективно применение специальных весовых функций (не содержащих: постоянной-составляющей). -Однако для.' полной реализации их возможностей необходимо устранение накопленной погрешности квантования.

Анализ известных методов борьбы с высокочастотными шумами показал, что все они приводят л!?бо к существенному ■■ снижению быстродействия, либо резко усложнят схему НАЦД <в случае реализации специальных весовых функций).

Выше отмечались достоинства структуры ИАЦП с многоуровневой Фикцией а (г) с точки зрения точности в статике. Однако задача идентификации -этого ИАЦЦ как динамической системы до сих пер не была решена.

Поскольку с точки зрения динамики данный ИАШ представляет собой нелинейную: замкнутую '.вмпульсцую систему (Ч §оН). может . принимать лишь квантованные значения), то аналитически•описать ее движение в облэм случае произвольного лзьйненпя и, () невозможно. Эту трудность мокло оСоРггл; если ¿опустить, что и_ (1) макет принзглатьлига' значения,: соотБегствзгаае квантованным уровня?.! ЩП, т.е. и (,1)=ио£^(1;)=11 . Б с-том случае наступает полная компенсация входного наяря^окЕИ ЕгпрнЕ&каем обратной связи, следовательно, будет справедливым соотношение:

- + - и00(г,). С з )

где ии(1) = ^ = иоо(^). ( 4 )

Постоянные.времени интегрирования по цепи входного сигнала и по цепи обратной связи одинаковы и равны х, йт- общее число уровней квантования АЦП и соответственно ЦАП.

Введя обозначение из выражений (3) и (4) маяно

получить линейное разностное уравнение первого порядка, -

описывашее движение системы при оговоренных выше допущениях: ■ Г ' Ч*. : т 1 ■" т N

'1[1И1 - НИ] 1--Ь - и Ш-= о . (5)

I и т J * 10

- й'здт оаип

Для постоянного входного ВОЗДЕЙСТВИЯ (И [i]=U =ccnst) 3

s? . гг

установившемся .реяимз имеем' НЦ+t1 =7?£ 1 ] . С учетом этого получена функция преобразования лля 1ШЩ с Ш в обратной связи: . * й =U AJ ■ . ( б )

yen х cn«an '

Из вырзг-эшм (6) сладуат, что параметры АЦП мгновенных знзчзний (ЕЯ), а слэдойатояь?» и' линейность ¡итегратора И, не входят в Функция, преобразования НАШ, что и естественно, так как данные узлы находятся в пржэтй цегпг преобразования зз.мкнутой системы. . ■ ,

Решение разностного уравнения . (5)- позволило оценить характер и время "затухания;переходного процесса для случая скачкообразного изменения входного сигнала u (t):

ипз= (iJy — НШ1)(-С){ , Г <7 )

■ ' " в т '

гдо С = 1 - -2Е2-3.

, TJ .

■ с г »;". . -.

Таким обрззем, еелл • выбрать' параметра-..- КАШ 'из условия (U Т /и 1 .s '), то шрвходггаи: пкзцесс в этом случае заканчивается всего за один'- нолкнй'-- сагдаетш; система В зависимости' от знака С . гт^рехбдшй процесс. косит 'апериодический (1>С>0) клн колебательный (~1<С<0) характер.

Для • рэзльнгас . условий,- . когда напряжение u_(t) скачком изменилось и приняло произволъноо (щ'связанное -с уровнями ПАП) значение, очевидно, что двшхение системы о? момента скачка до момента, когда .разшща-'ИГ.-ц (t)'.!становится кеньаа- одного кванта, (т.е. "движение'- "в--большом"), абсолютно к<з отличается ст рзссматренкого . вдеа.тазиров?т?ного сл1гчз'я, т.е.» из этом . этапе' адекватно описывается выражением.(5). •■'■-.

Движение с мокента .'време1ш, когда. начинает выполняться условие )Or-uoo(t) -'.названо-; дакегакм'- "в малом". 3. этом

случае очевидно, что выходное напряжение ЦАП может Принимать лишь два значения wobl п: \о1+1 -. -". .соотвозгствущие i-му я (1+1 )-му. уровням квантования, причем ;-u t<U_<u.ooti:f. Зто позволяет заделить в' составе И две составлявшие U =и .+Д11 , и,

~ - ~ ось ст

авадогтпшо, т. сигкалэ обратной связи u (t)=u .+Аи •• (t). 'Таким.

* Of> ОС t оо

образен, на вход сгсте:® поступго? сигнал кошексируемкй.

сигналом /¿и (t)i првдетамякщим. собой псслэдоЕатзльнос'гь одЕсполярных пр^угшьвнх'импульсов с■ ггдштудей &U ;

Проведенный анализ динамики и статики ИАЦП с многоуровневой go(t) позволил идентифицировать;их как следящие (т.е. существует взой.,'освязь в соседних циклах преобразования) при двикенш "в болы..ом" и как развертывающие при движении "в малом".

Вторая глава посвящена исследованию возможностей уменьшения случайной погрешности ИАЦП путем усредненной оценки начального и конечного значений выходного напряжения интегратора.

Случайная погрешность преобразования ИАЦП, обусловленная влшсшем собственных шумов ?(í). определяется разностью значений выходного напряжения интегратора в начальный t^ и конечный V мокэнты цикла преобразований

дн - - £(tH).' ( а )

Если учитывать влияние лишь высокочастотных шумов то, как показано в данной главе, более корректным будет выражение

AR = i(tft)_ ( 9 )

В этом случав в реальной функции преобразования ИАЦП послодний член будет иметь вид e-(T_/Uo)-£(tK). Казалось бы, это позволяет легко найти характеристики случайной погрешности до извэстным характеристикам случайной величины £(tft). Однако данные экспериментов и анализа рассматриваемой погрезностк не согласуются с теоретическими результатам.

Как видно из рис.2, равенство значений uu(t) и £(t) шеет места не только в момент но и шшнтн tRf, t^, и т.д. Т.о. уравнение (2> с учетом (9) не дает однозначного решения, поскольку вероятность того, что срабатывание устройства сравнения щ.<0!_0У2дет в момент t^ (см.рис.2), равна произведению вероятности того, что в момент выполняется соотношение ?(tii)>uu(tR), и вцияуности того,что при всех г<^вышщялось соотношение C(t)<uu(t). В этом случае становится очевидным и легко объяснимым смещоыю оценки рассматриваемой случайной погрешности.

Анализ результатов вероятностного моделирования показал, что плотность вероятности анализируемой погрешности претерпевает существенную деформацию относительно закона изменения плотности вероятности значений собственвого шума í(t). По мере уменьшения производной duu<t)/dt матожидание погрешности сдвигается влева к началу интервала Ata (рис.2). Это позволило сделать вывод о необходимости при изыскании мер уменьшения случайной погрешности ИАЦП обращать внимание не только на уменьшение дисперсии,: но и на

возможность получения несмещенной оценки матошдания последней.

Для решения денной проблемы предложено две разновидности нового способа ся;гкйн\»я' ^отт^ся^сг.: l'AIITT. Суть w

сводится к выявлению истинного момента t .пересечения выходным напряжением интегратора u^{t) порогового уровня путем интегрирования знаковой функции g(t), формируемой из выходного сигнала устройства сравнения с учетом собственных, шумов 'Ç(t) (ряс.З).

В первом случае функция gît) формируется на интервале всзмени Т„ (рис.3).по правилу

8 f 1 npnù4t)»ç<t)ï

g(t)=| u - ( 10 )

I -t при utt(t)<Ç(t).

При этом начало t^ интервала Т9 определяется моментом пересечения напряжением некоторого заданного порогового

уровня U {I <0 <<И , где Г -максимальное значение шума

-. . п "па® п итах ^псих. J

rlt)), a конец t^- определяется моментом' времени, в который

интеграл Jg(8)d8 становится равным нули. Очевидно, что при этом середина интервала . Т8 оказывается значительно блике к точке t .(см.рис.3) истинного перехода напряжения u^it) через нулевой уровень, чем момент первой "встречи" uu(t) и С (t).

Однако данный вариант способа уменьшения случайной погрешности не позволяет зафиксировать в явном виде момент Бремени tu, что необходимо, например, при реализации любых известных алгоритмов следящего уравновешивающего преобразования (поскольку для ИЩИ данного подкласса в момент - t ■ необходимо менять знак или значение функции представления go(t)).

Для решения данной проблемы предложен несколько другой

алгоритм; нелинейной фильтрации (рис.З.б), при этсм формируется

знаковая функция g(t):

Г 1 при u itKÇ(t); g(t)=] u (11) , . 10 при Uu(t)>Ç(t). ..'..->

Формируемая тагам образом знаковая функция интегрируется до получения заранее заданного фиксированного значения Nq.

При отсутствии шума идеальный случай изменения интеграла Ж10 на рис.З.б показан пунктиром, последний достигает значения tîo s . момент tU(t. При наличии шума £(t) процесс интегрирования функции g(t) начнется раньше момента tu. Однако при симметричном относительно нуля законе распределения шума суммарное время, в

Z3

течение которого условие £(t)>uu(t) hq выполняется после момента tu, равно .суммарному времени, в течонке которого это условно

выполняется до момента t . А это означает, что момент 1илотстоит

■ И -

от момента t u на одну , и ту кз фиксированную величину, t.ö.t -t «const. Постоянное запаздывание момента t не имеет

ил U UR

значения с точки, зрения реализации любого алгоритма следящего; ' уравновешивавдего преобразования. .-•'/..-• 'Ксчерпываизей- Характеристикой для -оценйи. случайной погрешности является закон изменения плотности вероятности. Для его наховдания ; были . использованы средства вероятностного моделирования .и граф возмозсных состояний, системы. С использованием предложенной ; методики легко рассчитываются значения интегрального закона распределения . вероятностей случайной. погрешности tt-tru для любого колличэства дискретных точек, а плотность-вероятности в этих точках находится численшш дифференцированием".

Полученные результаты ■ вероятностного' моделирования, выполненного по единой ■методике, как для классического, так ц для выаэ. рассмотренных алгоритмов, позволяют сделать. вывод,' что ■ последние '.обеспечивают полное. устранение.'-погрешности от сызщэкея матоаадания момента первого срабатывания устройства. сравнения, характерного для классических : алгоритмов, а ив несколько снижают его дисперсна. ' -

' ; . ■ Оба, предложенных алгоритма .'отличаются от известных-, простотой схемной реализа'ции ипрактически не. сказываются на быстродействие ПАДЛ.

Третья глава диссерташш посвящена разработке и исследовашьч еще одного способа сюшешя случайной , погрешности, позволяющего'-достичь более значительного'снижения ее дисперсии. . Суть способа заключается в оценке значения AR, входящего в реальную функцию преобразования (2), т.е. AR^Ü^-Ü^. .

При известном значении AR в результат преобразования моха-ю внести поправку Ali -В (%o/iJJo)LR, с учетом которой выражение*(2) . принимает вид:

t

' ы + Ali = 6^2- ge(t)H (t)dt. (12)

т U I * * . -X о л

Как елдпо, при этом правая часть совпадает с выражением для идеальной функции преобразования.(1).

Тегам образом, для реализации денного способа необходимо ощенить выходное напряжение интегратора TJ. и D г перед началом и после окончания цикла преобразования ИАЦЛ.

Данная задача--была решена . с помощью дополнительного пеинтэгрпрузсй&го малоразрядного следящего АЦП. Процесс измерения, как известно, при этом сводится' к ■пошаговому, уравновешиванию изкэряеквй' величины uu(t)=Uu(t+£ (t) выходным напряжением ЦАП u (t), входящего в состав -дополнительного АЦП. С этой .целью сравшгааюЕсий эти две величины ■ компаратор -..формирует знаковую ■функция g(t)

f 1 при U,inn{t)<u ft); g(t)=j ^ J4Q ... (13)

при U (t)>u (t).

г цап и

Для улучшения. фйльтрухвдх'. свойств'- .(уменьшение дисперсии-) дополнительного' АЦП. по отногегап к -состаш^яйЁеЙ. 5(1). напряжения 'и Ш. управлзпгэ .ЦАЙом ■ осуществляют только старшие разряда, счетчика (интегратора фувкцна''¿(1))', а несколькоаладшях разрядов ¿гепользувтея для уничтожения черэдгщих'ся одиночных; пар, троек и т.д. счетных импульсов, поступающих на'входы слоггения и вычитания реверсивного счетчика, что и 'будет определять фильтрующие свойства дополнительного. АЦП по отношению к ВЧ составляющей шума.

отработанное в конце текущего' цикла значение:и выходного, напрякения : ЦАП служит. начальным значением Ццапн для следующего цикла преобразования ПАЦП. Следовательно, значением А1< - поправки выходного кода-/ПАДЛ в'-, каждом цикла ■ преобразования будет не что иное как разность значений управляющего кода ЦАП -N „ ¡г N

цсепк . цапн

соответствующего Т1иапл й Яиапм: \

: Ш = *К * - N ':■ : •: ■ -. (14)

цапл цемги * 4' '

Анализ эффективности данного метода с использованием вероятностного- моделирования и графа состояний системы, показ ал, что данный способ полностью, как и предыдущие,, устраняет смещение матскидания случайной погрешности, а среднеквадратическое значение последней уменьшается в 2-2,5 раза (зависит от закона распределения значений шума). Установлено также, что повышение фильтрующей (по отношению, к шумам) способности вспомогательного ЛЦП путем уничтожения знакочередующихся импульсов имеет целесообразный-предел (не более 3-4 импульсов в пачке).

С использованием система линейных уравнений Колмогорова получено предельно достижимое распределение вероятностей состояний системы, что позволяет в процессе исследований оценивать степень -приближения текущего состояния к предельному.

Предложенный. в данной . главе метод игатационного моделирования динамики, работы дополнительного АЦП позволяет получать графики реального переходного процесса б зависимости от сочетания . таких параметров, как разрядность ЦАП в составе дополнительного АШ, число взаимоувдчтокаекых импульсов и характеристики собственного аумз.

В четвертой главе дается .описание практических разработок • КАШ сулучшенными метрологическими.характеристиками, а такие . приводятся результаты их экспериментальных исследований. .

Экспериментальные исследования. ЙАЩ1 с ЦДЛ в обратной связп полностью подтвердили правильность теоретического анализа его дт.тнв!.п:ки, проваленного в первой главе работы. Т.е. оптимальным с точки зрения быстродействия является случай равенства постоянной •интегрирования г периоду запуска. АЦП мгновенных, значений, используя йеполноразрядный преобразователь типа 427 ПА1, путем суммирования отсчетов АЦП мгновенных значений в накапливающем сумматоре, удалось достичь погрешности преобразования, равной 6,0025%, что соответствует предельной точности используемого в преобразователе ЦАП.

Часто встречаются задачи, когда при кодировании и восстановлении .аналогового сигнала требуется ■повышенная диффервшиалънзя линейность при;малом входном сигнале, .но-обычный' ЦАП, как известно,.' именно в этой облаете шкалы имеет наибольшую нелйнейность,- возникающую, из-за необходимости выключать- все младшие генератора: тока и влзочать один старший. Одним из возможных' решений данной проблемы может быть предложенная в работе схема включеий двух (или более) ЦАП, позволяющая минимизировать дифференциальную нелинейность в середина шкалы преобразователя и одновременно повысить его разрешение в два"'(или более) разд. Одна кз конкретныхреализаций данного типа ЦАП была выполнена на четырех 10-разрядных ШС типа 1118ПА2А и имеет следующие" основные Характеристики: .. "■'.'•'.

- количество двоичных разрядов преобразуемого кода.......12;

- диапазон выходного напряжения...........-2,048....2,048 В;

- дифференциальная нелинейность..-....................û,0£55;

- время установления'выходного'сигнала...............150 не.

Для экспериментального подтверждения теоретических

исследований новых алгоритмов уменьшения влияния .собственных шумов на точность ИАЩ с использованием компаратора, интвгрярупаего знаковую Функцию, были разработаны две структуры ИАЩ. Одна из них реализует алгоритм интегрирования знаковой' функции g(t), формируемой', согласно условии (10), а другая, позволяет реализовать алгоритм для g(t), удовлетворящей условна (11). В качестве . компаратора," "'формирующего - функции gît), использовалась микросхема' типа 55-1САЗ, -при этом проводились эксперименты' по количественной' оценке . разброса .значений формируемого информативного' интервала времени для случаев "традйхиокйого* включения компаратора,. и • 'случаев использования усредняющих счетчиков. С целью определения оптимальных параметров (по критерию минимального разброса значений информативного интервала) варьировались, значения: частота опроса компаратора, а объем выборки . и скорость изменения выходного напряжения интегратора оставались неизменными. Численные результаты экспериментов сведены в табл.1 : .

Таблица 1

N. алгоритм параматрч Традиционное шелгненяе . Г=1МГЦ Интаграру щий кошаратор

f =1НГц О f =2МГц О Î =ЗМГи о С =4МГц О

МО . 3,39 4,44-' 4,84 4,56 4,45

дмо 1,11 0,06 -0,34 -0,Сб 0,05

DISP 3,63 2.4.7' 1,96 1,55 0,59

Как видно, провэдбпноа экспериментальное исследование ИАЩ с интегрированием знаковой функции подтверждает основные результаты теоретического анализа эффективности предложенного алгоритма.

Кроме этого, в данной главе работы, предложена схемная реализация метода снижения случайной погрешности от собственных шумов, основанного на усредненой оценке значений выходного напряжения интегратора в начале и конце цикла преобразования.

'.!г,/,о;хо)п иду я построения КАЩ с повышенной линейностью характеристики' преобразования, б ■■определенней степени являющейся' аналогом .'общеизвестного ¡.алгоритма параллельно-последовательного преобразования,. -рвализуемогр ь АШ мгюб^нншс значений» Показано, чт,--. гг.-,! а---,п ¿г.пк;]х требованиях к линейности входящих в него отдельных преобразователей, .'•• можно, используя обратный' ¡^ЛМ-прэабразаватель,' . обеспечить .'.высокую -линейность .характеристика! КАШ в целом.

Приведены результаты разработки и экспериментального исследования ;. высокоточного . КАШ« предназначенного : для преобразования переменных сигналов малого уровня в условиях ■воздействия -внешних помех, по мощности значительна превыгавдих полезный . сигнал. >•• При . этом . была • решена проблема устргшения погрешности ■■'от. накопления ошибки - -. квантования. "• на этапе прмобр.лг-оьчння г^да непричнкяших интервалов времени в код. Результаты; ■ испытан"«'.!? б: ,экземггл«рс>». : показали ; следуквде

технические;характеристики:,;

- предел прообразуемого напряжения........____...... 1 В;

- разрепашая способность................'..............2,в;

■-интегральная нелинейность........................+0,0052;

- время преобразования.......................... " 9600 икс.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

?. Првллотиа ■ ообщвкная структура КАШ, охватывающая реализации- всех. известных алгоритмов кнтегрирущего аналого-цифрового преобразования, служащая основной, для 7>х систематизации по наиболее 'существенным признакам и обеспечивающая единство математического описания, терминологии н анализа статических и динамических характеристик.

2. . .. - Реаена задача ■'.- идентификации 1ШЩ следящего уравновешиванияс ЦАП в цепи обратной связи. Показано, что при движении "в Оольеом* они г,едут себя как замкнутые ет^льегше системы, з пря .двигевдш "в малом" проявлял? все «ергы интегрирущего развертываадего преобразования.

3. йзно теоретическое обоснование эффекта ше-азки: оцона: матожидаетя случайной . погрешос?и КАШ» обз-сясытяс* воздействием собств£нис»го рума с нуловшг матоэддаюйм. Получ£;.ао

адекватное- этому эффекту..:'-.ураЁнош!о преобразования.

ГТгедлохешг ' дао разноггилкОСтн; Hof^ro- /способа снижения ; случайной погрещнестк интегойрукш- АЦЙ,.; суть - которого.; сьсда-гся д вйяе^'ниМ; момента. пересечения

порогового .-. уровня - путем-' ^ ' ••viÜHKüisi • • '

Формируемой из выходного сигнала.-; зяте rpstopa й Способ, $?лич ад тс я-прсстотой реализации и не; сопровождается;'даг.ерей-бы^^^

Методам;» вероятностного моделирования с исполь^орани^м гргфа состояний: дискретной . .системы;,фуккциониругеей в дискретном, времени, показано, '.что'-.'гфедложенннй ''сцос'ор '• практически;- полностью устраняет смещение оценки, случайной -погрешности■■■.or . шумов» ■ -а ■ '»Kwe- сяикчет .ее -дисперсны;

5. длокйй:''новый.''спорсяЗ • уменьшения': случайной'•• погрешности КАШ путем ■'оценки-/значений-, выходного напряжения-.'интегратора' в начале и конце- го!клэ''''пре0брйзова»1Я-.по знаковой функций*: '/Методом вероятностного моделирования с : использованием 'графа

состояний системы получены оценки ..случайной погрешности. Доказано, что даяний способ практически полностью устраняет о-з caeraRîsre и значительно уменьшает дисперсии.

С использованием, система линейных уравнений Колмогорова получено предельное распределение вероятностей состояний системы (и соответственно распределение- случайной погрешности), что позволяет в процессе исследования движения системы оценивать степень приближения текущего состояния к стационарному (установившемуся), т.е. быстродействиеИАЩ.

Методом имитационного моделирования исследована динамика рассматриваемого ]!АЦП. .

6. Выполнена разработка ЙАШ, реэлизуидих предлоненные способы улучшения метрологических характеристик.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Шахов Э.К., Голншевский O.A., Трубников C.B., 1'ванчиков iî.B. Метода снижения случайной погрешности ИАЦП //Тез. 'дом. Всесоюзной конференции ''Методология измерений (измерительные процессы, их подготовка, планирование, организация, проведение, обработка и■ представление результатов)", - Ленинград, 1991. -С.-92. ;. Л ' ,

2. Сзфронов В.П., Ломовцев A.A., Сибринш Б.П., Трубпцков

C.B.. 14-рззряяннй аналого-цифровой преобразователь с малой погроснос'тыо жФФеренциаяьной нелинейности •• в середине шкалы // Тез. докл.; 6 Всесоюзного симпозиума "Проблемы • .создания преобразователей формы информации", 28 ноября - 2 декабря 1938 г. Киев, .1983, - C.2G7. .

3. СафроноЕ В.П., Сибринин Б.П., Трубицков С,В„ Блохие Б.А., Быстродействующий' аналого-цифровой преобразователь с мало5 погрешностью дифференциальной нелинейности в начале экалу // Т^з.до кл. Всесоюзн. научн.-техкич. конференции "Методы s микроэлектронике средства цифрового преобразования и обработка сигналов". 11,-13 ноября 1986 г.- Рига, 1936.- Т1. - с.91-93.

4. Сафрокоь В.П., Трубников C.B., Щулъман A.A.. Цифровог регистратор повторяющихся сигналов // ПТЭ - 1969.- JÊ5.-C. 178-180.

5. Шахов З.К., Трубицков C.B. // . Кнтегрярувдй аналого-цифровой преобразователь.- Вопросы радиоэлектроники. ,'.• Огня ЗВГ. - 199?.- БНП.12.- с.97-102'.

6. Шахов З.Е., Трубицков C.B. // йнтегргрущк! аналого-цифровой преобразователь с фиксированной .длительность* цикла преобразования. - Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. -

1992. KŒ.Î2.- С» 103-107.

7. Трубников C.B. Способ уменьшения влияния шумов НЕ точность преобразования ИАШ // Цкфроваг Ен$ор&1ационно-измерительЕая техника: Меквуз. сб. .научя.тр. / Пенз. политехи, ин-т. - Пенза,- 1993. - вш,23, - с.112-117.

8. Трубицков C.B. Структурное совершенствование интегржухшз: АЦП // Цифровая ¿шформационно-измеритвльнаг тохнкка: ' Мехзуз. ' сб.. науя..-' тр.* / Пенз, политехи, ин-т, Пенза,

1993.- выл,23.- с.118-121. . . *:

9. Трубицков C.B., :Шульман A.A. Аналого-цифровой регистратор повторяодкхся сигналов //,Измерительные .элементы е система управйония в нефтяной и газовой промышленности: Меквуз. сб. науч. тр. / УфНл:с. Иофт. шНг,- Уфа, 1930,10. A.c. ' 15<!7С57 С?Г,Г, Н,КЛ. 11Ш Î/6Ô. У^.й^ес

цифро-аналогового преобразования / A.A. Ломовцзв, В,П-

Б.П. Сибринин, C.B. ТруоицкоБ (СССР), - Ji433i473/2^--24l Г v.-::.

20.11.87; Опубл. 28.02.90; Вкзл. Ш.

11. A.c. 1610279 СССР, Ы. Кл Ст 0109/02. U^po^-l регистратор повторяющихся сигналов / В.П. . С&фроног, G.B.

■!'.'• / 20

Трубников, A.Aé Пульман, В.А. Рубцов (СССР) - А4323144/24-t0; Заявлено 02.11.87; Опубл. 30.11.90; Бюл. *44.

12. Положит, репе mie о выдаче а.с. СССР на изобретешь MKiP Н03М1/52. КнтэгрирукзгЯ эиапо'го-цйфрозсй' преобразователь / O.K. Шахов, О.А.Голкзезский, C.B. Трубщков, JT.B. Иванчикоз (СССР). -JM933825/24; Заявлено 30.04.91 ; Решение принято 01.04.92.

И 5

О

Сергей

' КНТБГй^?УШ2 АШОГЬ^^РОЕЙ ВГЕОБРАЗОНШ}!. с зарса-цк 1ЕТРС13ПГ-ЕС}:::.:: п?;ятег/.ст.ха:л

Спепзальность :05Л'1.05 - "Прибора п методы . измерения электрических и магнитных величин"

Сдано е прогзюдстЕО 14.II.94. Формат 60х84ГД6. Бумага типогр. Л 2. Печать офсетная. Уч.-изд.л-. 1,25. Заказ » 653. Тираж 60.

Типография издательстеэ Пензенского государственного ' технического университета. Пенза, Красная, 40.