автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Повышение точности цифро-аналоговых преобразователей с автокоррекцией на основе оптимизации планов тестовых экспериментов

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА К ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени Я И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Яа прзвех рукописи

Дедов Андрей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С АВТОЙОГРЕКЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ПЛАНОВ ТЕСТОВШ: ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Специальность ПЛ. 13.00 - Элемент^ и устройства

ннчислителыюй техники л систем управления

' АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Лэнинградском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехническом институте имени К И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -доктор технических наук доцент мурсаев А. X.

Официальные оппоненты; доктор технических наук доцент Вэдосекин Л- Л-кандидат технических наук Баротов А. А.

Ведуп^я организация - ШИИЭП

Защита диссертации состоится "2/ '• ¿.с/СмЛ 1991 г в /¿Г час. на ааседании специализированного совета К 063.36.04 Ленинградского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического институту имени В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Ленинград, ул. Проф. Попова, б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института-Автореферат разослан " '/2 " ' -СА 19^ г.

Ученый секретарь специализированного совета

Юрков Ю. Е

- I -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аотуальность проблемы. При создании на основе средств вычис-ительной техники современных автоматизированных систем улравле-ия технологическими процессами (АСУТП), инфзрмационно-измерителъ-ах систем (ИИС), а также автоматизированных систем научных <спериментов и исследований важнейшей задачей является улучшение ачественных показателей подсистемы ввода-вывода аналоговой ин-эрмации, основными узлами которой являотся преобразователи формы ■(формации (ПК1). Наиболее распостраненные представители совре-знНых ПСИ - аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАЦ) пре-5разователи.

Требования по обеспечению работы АЦП и ЦАП в лэстких климати-эских условиях при сохранении высокой точности преобразования, з повышению быстродействия и надежности, по сни.тлнию габарит-з-весовых прокалателей постоянно возрастай1.

В настоящей работе исследуются проблемы создания прецизионных лсокопроизводительных ЦАП и АЦП, использушлх ЦАП в качестве зммутируемой меры. Основная сложность повышения точности ПФИ по-эбного типа сводится к трудности реализации прецизионного ци$ро-<агогового преобразования.

Современные технологические методы обеспечивают получение зстаточно высоких точностных характеристик АЦП и ПАП. Однлко эзможности схемотехник:! и технологии, связанные с разработкой и зикенекием высокогачественных элементов ;! узлов преобразозатэ-;й, имеют определенна пределы. Дате при использовании слолных и эрогостошцих операций подгонки ПИ! с целью повышения точности, заременные технологические способы не обеспечивает в настоящее земя создание прецизионных ЦАП и АЦП, .сохраняющих вксо!сую точ-зсть преобразования (0,0022 и вша?) при долговременной эксплуа-щии в широком температурном диапазоне.

Перспективный путь создания прецизионных АЦП и ЦАП, способах работать в кестких климатических условиях - применение струк-грных методов повышения качества ПФИ.

. Структурные методы повышения качества АЦП и ЦАП, в тем числе звьшение точности и быстродействия, а также улучшение помэхоза-ирнпости и надежности, нашли широкое отражение в работах науч-ге коллективов, руководимых А. И Кондалевым , В. Б. - Смоловым, А. П. гаховым , А. Н. Касперовичем и другими. Известны разработки в гом направлении и ряда зарубежных фирм (Вигг-Вгош НоачоагсЬ

corp., Intersil corp., Crystal Semiconductors ),

Среди многообразия структурных методов повышения качества АЦП и ЦАП особое место нанимают метол« коррекции погрешностей ГШ по результатам периодического тестового контроля, Эти методы наиболее универсальны и перспективны. Для коррекции погрешностей преобразования используется либо непосредственная оценка величины выходного сигнала ПФИ, либо оценки величин известных источников погрешности , то есть идентификация модели погрешности, а в конечном счете идентификация параметров принятой модели преобразователя.

Предлагаемые в диссертации методы контроля, основанные на способе намерения, минимизирующем влияние погрешностей намерений, обеспечивают воамомюсть создания высокоточных АЦП ь ПАП с встроенными средствами самоконтроля и оамокоррекции, т.е. о помощь» неточных иамарителей, сравнимых с основным Преобразователей по величине относительной погрешности, и весьма перспективны с тачки зрения интегральной реализации самокорректирующихся Hilt

До последнего Бремени корректировались либо только линейные составляющие погрешности (начальное смеданиа и масштаб), либо дополнительно учитывались погрешности разрядных весов ЦАП. Однако при коррекции только этих составляют« погрешности не удается повысить точность высокопроизводительных ЦАП и АЦП, построенных на основа монолитных ЦАП, пыша 13-14 двоичных разрядов. Так как при этом не учитываются нелинейные эффекты, возникающие В монолитны* преобразователях, которые приводят к нарушению принципа суперпозиции разрядных весов.

Задача дальнейшего повышения точности связана с необходимостью создания новых моделей ЦАП, адекватно описывающих функцию преобразования в условиях нарушения принципа суперпозиции разрядных весов. Однако, с повышением точности математической модели, которое достигается , как правило, за счет усложнения функциональной зависимости погрешности преобразования от входного кода, повышается трудоемкость контрольных испытаний и усложняется идентификация пар?.метров модели, что ведет к усилению влияния на Точность коррекции погрешностей, возможных как при ' выполнении контрольных измерений, так и возникавдих при реализации необходимых вычислений, например, из-за ограниченной разрядности аппаратных средств.

При этом эффективность коррекции погрешностей ПФИ существенно зависит от выбора контрольных точек тестовых экспериментов.

Таким образом, учитывая возможность размещения схем автокоррекции на кристалле, актуарной становиться задача исследования источников погрешности монолитных КС ПАП и АЦП с целью создания уточненных моделей погрешностей и разработка алгоритмов эффективной идентификации параметров созданных моделей ПФИ на основе оптимального планирования тестовых экспериментов, а также создание структур, реализующих эти алгоритмы с максимальной точность» и производительностью.

Цель работы. Совершенствование существующих и разработка новых способов идентификации и структурных способов коррекции сис-гематичесютс погрешностей ПФИ и создание на их основе адаптивных самокорректирующихся ПФИ, обладают^ долговременной петрологической стабильностью.

Методы исследования. Научные исследования в рамках диссертационной работы проводились с использованием теории электрических цепей, теории погрешностей, теории оптимального планирования эксперимента, регрессионного анализа и математической статистики, а гакжэ с применением элементов теории множеств и теории матриц, применялись натурные эксперименты и имитационное моделирование.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в развитии теории построения самокорректирующихся адаптивных ПФИ. Основные шучные результаты, выносимые на з&циту:

[. Результаты исследования источников нелинейных эффектов в современных монолитных ЦЛП и в построенных на их основе АПЛ. Уточ-¡енные модели погрешностей ПАП.

I. Методы контроля и коррекции погрешностей АЦП и ЦЛП, основанные [а оптимальном планировании тестовых экспериментов для идентификации предложенных моделей и ориентированные на использование нз-«ерителей, погрешности которых сравнимы с погрешностями корректи->уемого преобразователя. Алгоритмы синтеза оптимальных планов ■естовых испытаний.

!. Результаты исследований в области оптимизации параметров [редложенных алгоритмов автокоррекции погрешностей АЦП и ЦАП.

Практическая ценность. Разработаны алгоритмы и структуры, юзволякщие строить ПФИ с точностью порядка 105 с использованием ерийных монолитных ИС ЦАП. Разработан комплекс моделирования,

ориентированный на выбор оптимальных параметров ПФИ с автокоррекцией. Предложи способ калибровки нелинейности ЦАП, признанный изобретением.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались:

- во ВНИИ Штрологии им. Д. И. Менделеева при разработке канала ввода аналоговой информации для микропроцессорного контроллера гааового анализатора;

- в СЖТБ "Кристалл" при проектировании структуры канала аналогового ввода-вывода для микроконтролера;.

- в НПО "Альфа" при создании преобразователей с автокоррекцией;

- в НИР "Исследование методов аптоматического контроля и коррекции каналов ввода-вывода аналоговой информации", выполняемой в ЛЭТИ имени ЕИ. Ульянова (Ленина);

- в работах по теме 23.1.6 " Исследование и разработка аналого-цифровых каналов ввода данных повышенной точности, помехоустойчивости ц надежности", проводимых в соответствии с отраслевой комплексной программой "Новые приборы" ГКНТ СССР.

Создан высокопроизводительный аналого-цифровой преобразователь с автокоррекцией систематических погрешностей, применяемый для спектрометрического аналиаа в СКБ Аналитического приборостроения АН СССР.

Документально подтвержденный экономический эффект составляет ?.;! тысяч рублей В год.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобрааорателей формы информации" (Киев, 1988); - Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1989); - Межреспубликанском научно-техническом семинаре "Интерфейсы персональных ЭВМ" (Севастополь, 1989); - Республиканской конференции "Применение вычислительной техники и математических методов в научных и экономических исследованиях" (Тернополь, 1989); - Республиканской конференции "Обработка информации в АСНИ" (Пенза, 1989); - Краевой научно-технической конференции "Молодые ученые и студенты - ускорению научно-технического прогресса а области радиоэлектроники и вычислительной техники" (Красноярск, 1989); - научно-технических конференциях профессорско-преподана-

'ельского состава ЛЗТИ имени В. И. Ульянова (Ленина) в 1988-1989 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано Б !ечатних работ, получено положительное решение по заявке на гаобретение. Результаты работы использовались в отчетах по НИР.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит 13 введения, четырех разделов, заключение, списка литературы из 54 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 150 ¡транкцах машинописного текста. Работа содержит 10 таблиц И 26 1ллюст рации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Яо введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы ¡ель и «задачи диссертации, отмечена научная новизна и практически значимость работы

В первом разделе проводится обпор структурных способов повьпяе-ия точности ПФИ. Обосновывается перспективность методов автома-ической коррекции погрешностей ГШ на основе дифференциальных змерений. Исследуются проблемы повышения точности коррекции пог-егшостей высокопроизводительных П1И, построенных на основе моно-итных ЦАП, и формулируются задачи, решаемые в последующ: главах иссертации.

Настоящая работа ориентирована на создание методов контроля коррекции вь'сокопроизводителт.шге ЛЯП и ПАП с помощью неточных страиваемых в ПФИ измерителей, погрешности которого сравню,« с огрешностями корректируемого преобразователя.

В диссертации рассматривается путь пов1лп°ния точности преци-ионных ЦАП и построение их на основе высокопроизводительных АЦП режде всего на основе компенсации погрешностей нелинейности ЯАП.

Существует принципиальная возможность измерить погрешность реобразования в каждой точке характеристики ЯАП. Для методов квозного контроля, предусматривают^ измерение выходною сигнала АП на всех кодах, характерны необходимость использования преци-ионного измерителя, имеющего класс точности выше , чем корректируемый ПФИ, и большая трудоемкость процедуры контроля. Поэтому ги методы контроля целесообразно использовать только для началь-эй или весьма редкой калибровки ТОЙ.

Наиболее радикальный путь снижения трудоемкости измерительной

- б -

процедуры - уменьшение числа контролируемых точек на основе априорной информации о свойствах и структуре преойрааовзтеля. В ¡этом случае восстановление всей характеристики преобразования выполняют путем определения (идентификации) величин учитываемых в соответствии с принятой моделью ДАЛ источников погрешности по результатам тестовых экспериментов в отдельных . точках и вычислении значений характеристики преобразования в остальных точках. Модель должна отражать с достаточной для практических делиа точностью поведение функции преобразования на геем множестве допустимых кодов.

Такой подход требует решения тем или иным способом системы уравнений нида: Г(Ыл.с,..,. .._,'ва) - А(М.и ,. -где К) - входной код ПАП; е,, М.п - неиавестные параметры модели ЦАП; А( N л) - результат измерений. Это приводит во многих случаях к значительному усилению влияния погрешностей измерений на результат идентификации неизвестных параметров и требует применения измерителей с многократно меньшей погрешностью, чем погрешность проверяемого элемента.

Требования к точности иамарителя существенно снижаются при намерении не полного сигнала А( Ы), а разности выходных сигналов на кодах,, представляющих близкие числа и к' (метод дифференциальных измерений ). Обычно - 1 . Измерения такой разности может выполняться прибором с небольшим ( по сравнению с диапазоном калибруемого преобразователя ) диапазоном входных сигналов, вследствие чего та жа точность идентификаций достигается при большей приведенной погрешности измерительного прибора. В атом случае неизвестные параметры модели определяются из решения системы линэйных уравнений (С.ЛУ) в^да

- гЫ.р,,',... » л'сыа) .

Методы автокоррекции, основанные на дифференциальных намерениях, обеспечивав единство элементной ( технологической ) базы, высокую производительность и возможность интегральной реализации. Но применение этих методов допустимо лишь при малой чувствительности точности решения ОЛУ, порождаем:« дифференциальными намерениями, к погрешностям задания вектора свободных членов, что накладывает ограничения на выбор адекватной модели и методы тестирований.

Иг.веетнил методы контроля и , корр&кции, оенппаннке на днффе-

енциальных измерениях, не могут обеспечить создание высокопроиз-одительных ЦАП и АЦП, использующих современные монолитные ЦАП в ачестве коммутируемой меры, с точностью выше 13-14 двоичных раз-ядов, так как не учитывают возникающие в монолитных преобрадова-елях нелинейные эффекты, которые приводят к нарушению принципа уперпозиции разрядных весов. Особенно это существенно для моно-итных ЦАП, реадизоьанных по биполярной технологии на основе ком-утируемых резистивных матриц, В подобных ЦАП нелинейные эффекты огут вносить погрешность до 0,01%.

Анализ источников нелинейности ПФИ погдзал, что во mhoi .га лучаях нелинейные эффекты, возникающие в монолитных преобраэова-элях( с достаточной для практгчесюсх целей точностью модно ин-эрпретировать как "взаимное влияние разрядоз". Поэтому компро-исс между остаточной некорректируемой погрешностью, временен знтроля и затратами аппаратных средств мокет быть достигнут при пользовании для коррект!И ПФИ, построенных на основе монолитных Ш, уточненной модели, в которой нелинейные эффекты трактуются аК погрешности парного взаимовлияния разрядов ( модель с ВВР ).

Иэдель с ВВР предполагает следующую зависимость выходного ;1ГНала ЦАП от преобразуемого кода:

M г-1 '

МН) - выходной аналоговый сигнал ЦАП; Н'[^1)о1х,.. .р1п j , £{?,{]- т-раарядный входной код ЦАП, представляющий число ¡V ;

идеальное значение веса 1-го разряда; о„- идеальное »ачение веса младшего значащего разряда (ГОР) ЦАП ; А(у -:обственная" , то есть не зависящая от остальных разрядов, )Греиность 1-го разряда ; Л,у - погрешность взаимного влия-т 1-го и J- го разрядов; - смещение характеристики ЦАП.

Модель (1) описывает многие серийные ЦАП (серии К572, К1108, .113, К1118) с приведенной погрешностью не хуле 10"° и пригодна й построения самокорректирующихся ПФИ с 14-18-разрядной раэре-исщей способностью.

Точность определения оце..ок параметров модели с ВВР, а в ко-'чном итоге, и результирующая точность ПФИ существенно зависит 1 набора кодов, подаваемых на ЦАП при выполнении контрольных из-рений ( плана тестовых экспериментов (ПГЭ)).

В связи с этим весьма в&таой представляется задача синтеза оптимального ПГЭ для идентификации параметров модели с ВВР, который бы обеспечивал наименьшее влияние погрешностей контрольных Измерений на точность коррекции ПФИ при минимальном количестве точек плана.

Требование минимизации обьема контрольных измерений срязано, во-первых, с ограничениями на допустимой время контроля, которые обусловлены многими причинами, в частности, изменением параметров ПФИ под воздействием дестабилизирующих факторов ( например, изменения температуры окружаюш/эй среды, напряжения питания, влажности воздуха и т.д.), а, во-вторых, с усложнением алгоритма обработки экспериментальных результатов, которое ведет к накоплению вычислительных погрешностей, что в конечном итоге может привести к потере точности коррекции.

Успехи в микроэлектронике привели к поярленир интегральны* систем сбора и обработки аналоговых сигналов, в которых на ОДНО* кристалле размешаются кроме собственно АЦП и ЦАП» также УВХ» входные коммутаторы, усилители и цифровые схемы. Кроме ТОГО, I настоящее время при создании многоразрядных интегральных ЦАП у. АЦП, обладающих рысокой линейностью, наряду с использованием ре-зистивньпс делителей с двоичным или вавещиванием применяются

новые схемные решения ( например, вводится дешифрация 3-4 старшин раарядов). Погрешности преобразования таких ПФИ эффективно не корректируется по ранее предлагавшимся моделям.

На основе анализа источников погрешности в рорременнкх монолитных ЦАП и исследования влияния на точность ПФИ погрешностей современных компонентов, Используемых для построения высокоточны* ПФИ, признано целесообразным разработать методы идентификации, включая вопросы оптимального планирования тестовых экспериментов, двух уточненных моделей ЦАП. Одна из моделей должна учитывать новые схемотехнические решения, используемые для построения высокоразрядных ПФИ, а именно дешифрацию старших раарядов. Другая -погрешности, обусловленные неидеальностью линейных цепей тракта преобразования ( ОУ, УВХ, аналоговые коммутаторы и т. д), характеристики передачи которых имеют непрерывный характер и с достаточной для практических целей точностью хорошо аппроксимируются , как правило, полиномами не выше 3 порядка.

Во втором раздала рассматриваются вопросы оптимального плани-

гавания тестовых экспериментов для идентификации параметров модели : ВВР.

При автокоррекцни ЦАП задача идентификации сводится к получе-шо состоятельных, несмещенных и эффективных оценок параметров зыбранной модели ПАП по результатам контрольных намерений выход-юго сигнала ЦАП на достаточном для идентификации множестве вход-ад кодов, составляющих план тестовых экспериментов (ПТЗ). В предельном случав, когда число измерений равно числу неизвестных параметров модели, говорят о точном ПТЭ.

• При планировании тестовых экспериментов в качестве критерия оптимальности плана была выбрана минимальная чувствительность определения оценок параметров модели к погрешностям измерений при заданном числе контролируемых точек. Известно, что минимальную 4увствительность оценок параметров к погрешностям измерений обес-чечивавт планы,, Порождающее системы линейных уравнений (СЛУ) для эпредвления оценок параметров модели с минимальной величиной меры обусловленности, вычисляемой как произведение евклидовых норм прямой и обратно^ матриц СЛУ,

На основе анализа особенностей СЛУ, порождаемых возможными [ТТа, был предложен и доказан алгоритм построения оптимальных точных ПТЭ для произвольного числа корректируемых разрядов, который формулируется следующим образом. Для построения оптимального точного Ш8 для п+1 корректируемых разрядов Рс'ят необходимо оптимальный план для п корректируемых разрядов Рш дополнить оптимальным планом Р„йг для определения погрешностей младшего п+1-го разряда, к Которым относятся погрешности взаимного влияния п+1-го младшего разряда на п старшие разряды и "собственная" погрешность п+1 разряда. При этом оптимальный план для определения погрешностей п+1-го разряда содержит коды, десятичные эквиваленты которых определяютсяследующим образом: N¡-2 +1, 1~1,п+1 и Ктах=2 -1. Например, оптимальные планы соответственно для 4 и 6 корректируемых раарядов : РопТ »(й,4,12,2,6,14,3,5,9,1б }, Ропт * {16,8,24,4,

12,28,6,10, 18,зо,а,б,9,17,зг].

Результат« статистических машинных экспериментов по моделированию коррекции погрешностей ЦАП по модели с ВВР подтвердили эффективность использования точных ПТЭ: только аа счет рационального выбора Контролируемых точек при прочих равных условиях войможно Повышение точности в 2-3 раза. . "

При менее жестких ограничениях на допустимое время контроля дальнейшее повышение точности определения параметров модели, а в конечном итоге, повышение точности коррекции ЦАП возможно благодаря дополнительным измерениям характеристики ЦАП. В отличие от повторных измерений в одних и тех же точках плана, которые обеспечивают подавление только случайных составляющих погрешности измерений, измерения характеристики ЦАП в дополнительных точках дают возможность уменьшить влияние на точность коррекции ЦАП как случайных, так и систематических составляющих погрешностей измерений. Однако, увеличение числа контролируемых точек не только повышает трудоемкость контроля, но и усложняет идентификацию параметров модели и ведет к усилению влияния погрешностей, возникающих при раелизации необходимых вычислений, на точность коррекции. Исследования показали, что существенное снижение чувствительности оценок к погрешностям измерений может Сыть достигнуто при небольшом числе дополнительно контролируемых точек. Эксперименты подтвердили, что увеличение числа дополнительно контролируемых точек более 6-7 не ведет к существенному повышению точности коррекции.

Предложен алгоритм поиска оптимальных избыточных ГГГЭ, .обеспечивающих наименьшую чувствительность оценок К погрешнстям намерений при заданном числе дополнительно контролируемых точек, й способ идентификации параметров модели с БВР, базирующийся на использовании оптимальных избыточных ПТЭ и на определений оценок по мгтоду наименьших квадратов (ШК).

Теоретически доказано, что зависимость результирующей погрешности ЦАП после коррекции от числа корректируемых разрядов Имеет минимум. Это связано с тем, что методическая погрешность при увеличении числа корректируемых разрядов падает, но при этом увеличивается чувствительность результирующей погрешности ЦАП к погрешностям в результатах контрольных измерений. Получены математические соотношения для рационального выбора числа корректируемых разрядов.

Третий раздел посвящен разработке методов коррекции ЦАП с существенной нелинейностью передаточной характеристики.

При использовании для коррекции погрешностей ЦАП с существенной нелинейностью модели с ВВР, учитывающей лишь нелинейные аффекты парного взаимодействия разрядов, возникаэт методическая погрешность, которая обусловлена эффектами взаимодействия тройно-

го и более высоких порядюзв.

В современных монолитных ЦАП нелинейные эффекты взаимного влияния младших разрядов пренебрежимо малы в сравнении с погреш-юстями младших разрядных весов и погрешностями, вызванными эф-[ектами взаимодействия старших разрядов. Для достижения линейности преобразования ЦАП на уровне 0,001% при коррекции достаточно учитывать 'Погрешности разрядных весов :i нелинейные эффекты, обус-ювле'нные взаимодействием лишь 4-0 старших разрядов."

Для ЦАП с существенной нелинейностью характеристики преобра-ювания в большинстве случаев не удается получить простую анали-•ическую' зависимость погрешности преобразования ЦАП от входного иэда. Для корекции таких ЦАП целесообразно применение модели, ос-юванной на предположении о том, что каждой кодовой комбинации в ¡тароих разрядах соответствует своя, не связанная с другими кодо-ыш| комбинация»!, погрешность, в атом случае выходную аналоговую еличину сеточьых двоичных ЦАП можно предствить в виде

j"' K'i'l

де N'i^t J-l.-'i^c, - ^^] - rrt-разрядный входной код ЦАП; ¿>о -оминальное значение М0Р ЦАП; 1 - число старших разрядов; Ак , «1+1,т - погрешность аадания веса младшего k-го разряда; 7>(Х)-оставляющая погрешности выходной аналоговой величины ЦАП, обус-овленая эффектами взаимодействия 1 старших разрядов _при подаче а эти рааряды кода числа R, где R« JiJj-2 v , j=l,i .

При идентификации этой модели отдельные составляющие погреш-эсти от различных источников не выделяются, а оцениваются интег-гльно для- каедой кодовой комбинации в 1 старших разрядах. Оче-■1Дно, что для идентификации предложенной модели требуется лтолнить измерения выходного сигнала ЦАП на всех допустимых в 1 гарших разрядах кодовых комбинациях.

Модель (2) инвариантна к структуре ЦАП и, в принципе, адек-iTHo описывает функции преобразования любых ЦАП. Такое представшие выходного сигнала эквивалентно такой организации ЦАП, при /горой входной код преобразуется в унитарный и каждый разряд штарного («да управляет собственной аналоговой порой.

В некоторых современных ЦАП для достижения внсоглй линейности «образования ноп~и.ьзуетея дешифратор кода старших разрядов в

геометрический, обеспечивающий подключение к выходу ЦАП равных источников тока, число которых соответствует коду в старших разрядах. Результаты исследований погрешностей таких ЦАП подтверждают целесообразность применения модели (2) для коррекции погрешностей ПФИ, построенных на основе подобных ЦАП.

Предложен способ идентификации модели (2), основанный на дифференциальных измерениях в точках характеристики, соответствующих переносу в старших разрядах.

В результате анализа влияния погрешностей измерений на точность коррекции получены соотношения, которые являются определяющими при параметрической оптимизации систем контроля и коррекции ПФИ на основе предложенной модели.

Результаты статистического машинного моделирования и эксперименты на практически реализованных ПФИ подтвердили возможность создания преобразователей с 14-16 разрядной линейностью при значительных исходных погрешностях за счет коррекции ПТ>И по модели с дешифрацией старших разрядов.

К причинам, нарушающим линейность преобразования, кроме рассмотренных ранее, откосится влияние неидеальности характеристик внешних элементов, таких как УВХ, согласующие усилители, аналоговые коммутаторы и т.д., которые необходимы для создания функционально законченных ПФК. Характеристики этих элементов имеют непрерывный характер и с достаточной для практических целей точностью могут аппроксимироваться полиномами невысокой степени.

Модель с ВВР удовлетворительно аппроксимирует квадратичный член непрерывной.составляющей погрешности. Однако, она становится не пригодной при более сложном характере зависимости погрешности преобразования от кода, когда существенными становятся составляющие более высоких порядков. Применение в этом случае модели (2) возможно, но для идентификации параметров этой модели необходимо выполнить значительное число контрольных измерений. Если непрерывная составляющая результирующей погрешности ПФИ преобладает над другими и достаточна только ее компенсация, то возможно использование для коррекции более простой по сравнению с рассмотренными - полиномиальной модели ЦАП, которая требует меньших временных затрат на выполнение контроля и коррекции.

В этом случае результирующая погрешность преобразования представляется в виде суммы погрешностей разрядных весов и поли-

ома от входного кода..

Совместное определение полиномиальных коэффициентов и погреш-остей разрядных весов требует больших временных затрат и приво-ит к значительному накоплении вычислительной погрешности, ффектизный путь снижения влияния погрешностей измерений - ис-ользопание избыточных ПТЭ и оценка параметров по МЯК, минимизи-ующему среднеквадратичную ошибку. Решена задача поиска оптималь-ых избыточных ПТЭ. В результате предложен способ идентификации зраметров полиномиальной модели, основанный на наборе дифферен-иальных измерений, поровдавдэм систему уравнений идентификации, наделяемую на две независимые части: первая - для определения элиномиальных коэффициентов, а вторая - для вычисления погреш-эстей разрядных весов с учетом найденных полиномиальных коэффи-

19НТ0В.

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям юдложенных алгоритмов контроля и коррекции, основанных на иден-(фикации уточненных моделей ПАП.

Для экспериментального исследования использовался метод ими-щионного моделирования на ЭВМ - наиболее рациональный метод ис-[едования сложных систем, к которым, в частности, относятся ПФИ автокоррекцией. Статистическое моделирование дает возможность □верить и оптимизировать алгоритмы идентификации предложенных делей ПАП нашироком наборе однотипных преобразователей с Разиными случайно задаваемыми характеристиками.

Машинный модельные эксперименты проводились, во-первых, для следования эффективности оптимального планирования тестовых эи-вриментов, необходимых для идентификации параметров модели с Р. Во-вторых, с помогали имитационного моделирования на ЭВМ исс-цовапиеь возможности создания высокоточных ПФИ с коррекцией греиностей преобразования по модели с дешифрацией старших разков. Кроме этиго, машинные методы использовались при поиске опальных избыточшд ПТЭ для идентификации полиномиальной модели.

Для проведения статистического моделирования использовался )гократный прогон большого числа реализаций моделей ЦАП, каддая которых исследовалась на случайно задаваемых кодах, число ко-№ достаточно для получения статистически достоверных резуль-•ов. ОиениЕались математическое ожидание, среднеквадратичное гонение и макси:,гльная величина погрешности преобразования до

и после коррекции.

Результаты модельных экспериментов подтвердили эффективность

использования разработанных оптимальных ПТЭ, возможность создания

-5

прецизионных ПФИ с точностью 10 -на относительно неточных компа нентах при коррекции погрешностей ЦАП R-2R по.модели с ВВР и при коррекции ПФИ с сущестг.енной нелинейностью на основе модели с дешифрацией старших разрядов. Разработанные комплексы программ np:i замене подпрограмм, моделирующих контрольные измерения, на обращение к массиву экспериментальных данных, полученных в результате контроля реальных ЦАП, могшо использовать для оценки адекватности предлагаемых моделей реальным преобразователям. Более того, в этом случае возможно определение оптимальных параметров системь контроля и коррекции ПФИ.

При проведении натурных экспериментов исследовалась эффективность использования алгоритма контроля и коррекции по модели с дешифрацией старших разрядов для компенсации погрешностей ЦАП, входящего в состав высокопроизводительного параллельно-последовательного АЦП. При этом оценивалась работоспособность алгоритма, его методическая погрешность, а также влияние различных факторов на точность коррекции. Результаты экспериментальных исследования подтвердили возможность создания прецизионных АЦП и ЦАП с относительной погрешностью 0,002-0,001% при копекции погрешностей преоС разования по модели с дешифрацией старших разрядов.

В прилоюние вынесены описание программного комплекса для моделирования ПФИ с автокоррекцией, схемы высокопроизводительного АЦП с автокоррекцией, а также материалы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе анализа существующих тенденций совершенствования АЦП и ЦАП показано, что перспективный путь создания прецизионных высокопроизводительных преобразователей, сохраняющих высокие метрологические характеристики при длительной эксплуатации в жестких климатических условиях - применение методов автоматической кор-рега^ш погрешностей ПФИ с периодическим тестовым контролем на основе дифференциальных измерений. Коррекция погрешностей ПФИ, построенных на основе современных монолитных ЦАП, с точностью не

/ровне Q.OQ1X достижима только при использовании методов автокоррекции, базирующихся на идентификации уточненных моделей ЦАП, в <оторых учитываются воаникаюциэ в монолитных преобразователях нелинейные аффекты, нарушающие принцип суперпоаиики разрядных ве-зов. Эффективность применения этих методов сучэотвэнно вавиои? от iaOopa кодов, подаваемых на ЦАП при выполнении контрольных изУбиений (плана тестовых экспериментов (ПТЭ)),

2. Исследованы вопросы оптимизации тестовых экспериментов для (дентификации параметров модели ЦАП, учитывающей нелинейные аф-[йкты парного взаимовлияния разрядов (модель о ВНР). Прэдложзны игпритш построения оптимальные точных и избыточных ПТЭ и споао* su идентификации параметров модели с ВйР, основанннэ на оптигапь-Юм планировании тестовых эсяпвримйнтоп, Пэлучаны соотносинш< Д-*а йЦцпнального выбора парамэтроз оиотемы контроля н коррекция поГ-(бсноотей П1-И по Модели о ЯЗР.

3. Разработан способ ¡юнтродя и коррекции пагр2К!ЗСТ2Й П"М( к-штфуюгзйся на уточненной подели ЦАП, |атсргл 'Дптзг.о'г пзлшгай-ыа айякты и монолитных праойразоваТедях, из оаодишз ц ппрнояу зенмовлипита разрядов, a т'акга пдеюадва. йлисш&в* Функции nps-bpasosa:ina ЦАП с дешифрацией старзмх разрядов, Шлучаны анаши-эс|глз ааанстйсти для оцйнкн влияния погрешностей Измерений на бчпость определения параметров уточненной иодэли.

4. Продлогано .tîpa. превалировании срэди супарпоэтяипкыч соо-авинпя« погрешности fiîit ивашвйЦоотаД, ' вносима аяемзоташ, мэющиш rA'Wioia порэдаТоЧннэ харьктерцотккн («апрюзр ù'Jt УБХ, налоговые ¡шмиутаю'ры » т. д, ), для корраади . 1йло.1®зова'гь ш-эль, представляЕЩуа погрешности Ш*1 в вид» сумуи погрзкиостей зарядных- весов и Пйлшгоыа от: йходпоЯ еелниины. PaapnCteiîi опбасб центифккации атой модели на'основе оптимальных избыточны* ШЗ, ттсгнпемых по методу дифференциальных измэряиий. .

G. Результаты модальных и натурных akcnaptsraHÏûn подтвердим йоды, полученные s. ходе теорзТНчэсюф ксолэдоваь'нЯ. Прима ¡Шйз зедлоаднного способа (юнтрсля и гэррзшщн ПогрэапсСгвй ПШ по здэли с дешифрацией старший разрядов позволило Погасить точность жокопроизводительного АЦП, построенного fia серийных Киноляньй : АЦП и ЦАП, ДО 0,01% При 1в-разряд«6й разравэкии.

- 16 -

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дедов А. а Повышение точности калибровки ЦАП ва счет оптимизации набора тестовых испытаний / ЛенинГр. электротехн. ин-т. - А, 1990.- 23 е.- Деп. в ВИНИТИ 13.07.90 , N 3919 - В90.

2. Грушвицкий Р. И., Манчев Б. А., Дедов А. Е Идентификация погрешностей ЦАП при наличии существенной нелинейности дискретного делителя // Проблемы создания преобразователей формы информации: Тез. докл. 6 Всесош. симпоз. , 28 Нояб. 1988. - Киев,

1988.-С. 212- 213.

3. Способы калибровки нелинейности монолитных ЦАП / Р. И. Грушвицкий, А. Н. Дедов, А. X. Мурсаев, С. Е Макеев // Мэтоды и микроэлектронныо средства цифрового преобразования и обработки сигналов: Тез. докл. Всесоюзн. конф. , 11 дек. 1989. - Рига,

1989.- Т.1.- С. 24-26.

4. Грушвицкий Р. И. , Дедов А. Е , Цилина И. И. Применение микроконтроллеров в структурах самокорректирующихся ПФИ// Вопросы проектирования и практического использования ПФИ л управляющих и вычислительных комплексах: Тез. докл. респ., конф., 10 нояб. -Одесса, 1990.- С. 129.

5. Дедов А. Е , Мурсаев А. X. Особенности поиска оптимальных планов тестового эксперимента для идентификации погрешностей монолитных ЦАП// Краевая конференция молодых ученых и специалистов- Тез. докл. краевой конф., 12 мая 1989,- Красноярск, 1989.-С. 43.

Под. к печ. 03.04.91. Формат 60x84 Кб Офсетная печать. Г1еч. л. 1,0; уч.-изд. л. 1,0. Тирад 100 экз. Зак. N 40О

Бесплатно

Ротапринт ЛЭТИ 197396, Ленинград, ул. Проф. Попова, Б.