автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Высокопроизводительные комплексы аналого-цифрового преобразования для систем автоматизации научных исследований

МИНИСТЕРСТВО .НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ КЖР

НОВОСИБИРСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

УДК 681.518. 3.

На правах рукописи

КАСПЕРОВИЧ Александр Николаевич

ВУСОЮПРОИЗЮДИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 05.11.16-йнформационно-измерительные системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук (в форме научного доклада)

Новосибирск 1992

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

1. д. т.н. Л. Н, Иванов

2. д. т. н. , проф. В. И. Нифонтов

3. д. т.н. , проф. А. Н Серьезнов

Ведущая организация: Институт кибернетики

им. В. М. Глушкова АН Украины

Защита состоится 20 мая 1892 г. в 10-00 часов на заседании Специализированного совета Д 063. 34. 03 при Новосибирском электротехническом Институте. 630087, Новосибирск-87, пр. Маркса, 20.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского электротехнического Института

Доклад разослан " О/ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук

О -

1. ОБЩЯ "ЛРЛЕГГЕРКСТОЛ РЖОТИ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИРОВШШ. В информационно-измерительных системах самого различного назначения - для управления технологическими процессами, контроля сложных изделий, обслуживания экспериментов и т. д. важнейшую роль играю? средства, обеспечивающие приведение к единой, приспособленной для компьютерной обработки форме представления информации, получаемой от датчиков сигналов различной физической природы. Характеристики средств аналого-цифрового преобразования, выполняющих эти функции, (и, первую очередь, системная производительность, показатели точности преобразовния сигналов) определяют уровень эффективности решения задач сбора и обработки данных.

Автоматизация научных исследований является областью при-■до;«ения методов аналого-цифрового преобразования, которая предъявляет наиболее жесткие требования как к целевым параметрам рассматриваемых технических средств (неслучайно рекордные характеристики преобразователей достигался как правило, именно при решении задач автоматизации уникальных экспериментальных установок), так и ..качеству системного интерфейса (то есть их "вписанности" в общую инфраструктуру измерительно-информационной системы).

Следует отметить, что за вреыя своего существования .. средства аналого-цифрового преобразования прошли эволюцию от отдельных измерительных устройств до развитых аппаратно-программных структур, которые реализуют функции коммутации,усиления, аналого-цифрового преобразования сигналов, а такле хранения, буферизации, первичной обработки (линеаризации,коррекции ошибок, фильтрации) данных и их передачи в ЭВМ.

Задачи практики требуют создания средств аналого-цифрового преобразования с высокими метрологическими характеристиками. Достижения современной микроэлектроники позволяет привлекать большие вычислительные мощности, которые могут быть использованы для улучшения характеристик преобразования сигналов на всех его этапах. В связи с этим возникла необходимость разработки новых методов и структур средств аналого-цифрового

преобразования, адекватных возможностям и тенденциям развития элементной базы. Выявилась необходимость создания комплексов аналого-цифрового преобразования, в которые органично входят достаточно тцные устройства обработка: (как в аналоговой так к цифровой форме), способствующих кардинальному улучшению системных нараиетров комплексов.

Сказанное в перзу» очередь относится к разработке архитектур широкополосных комплексов аналого-цифрового преобразо-вшшя реального времени, исследованию перспективных для подобных комплексов методов повшения статической и динамической точности преобразования сигналов.

Как уже отмечалось, большое значение (особенно применительно к задачам автоматизации научных исследований) имеет проблема организации взаимодействия средств аналого-цифрового преобразования с другими компонентами измерительно-информационных систем; принципиально важным (как технически, так и экономически) является нахоадение рациональных архитектурных решений (в том числе, основанных на использовании современных винных стандартов).

Таким образом, совокупность вопросов, относящихся к созданию и исследованию новых структур комплексов аналого-цифрового преобразования для автоматизации эксперимента, изучению обеспечиваемой точности преобразования сигналов, разработке методов аналоговой и цифровой пред- и постобработки преобразуемых сигналов с целью улучшения технических параметров комплексов, представляет собой самостоятельную и актуальную научно-техническую проблему, имеющую ваякое народно-хозяйственное значение.

Шстоякдй доклад обобнрет результаты многолетней работы автора в этой облает!!. Исследования проводились в соответствии с планами НИР ИАиЭ СО АН СССР 1975-1989 гг. (ММ ГР: 72052182, 74С60341, 76050045, 77062785, 81083903). Ряд исследований и разработок проводился в соответствии с решениями директивных органов: . Постановление ЦК КПСС и СМ СССР N 563-173 от 3 июня 1985 г. и другие, а такие по заданиям целевой комплексной научно-технической програшы ОЦ.027 (Постановление ГЕНГ, Госплана СССР и АН СССР N 474/250/132 от 12.12. 80).

ЦЕй» II ОСЯЮЙШЕ ЗДДЛ'П!. Основная цель работы - исследование и разработка высокопроизводительных комплексов алало-го-цифрового преобразования, внедрение их в практику физико-технического эксперимента. Поставленная проблема требовала решения большого числа различны? задач, среди которых основными являются следующие:

- разработка на основе единого системного подхода к преобразованию формы представления информации принципов яострое-№ новых высокопроизводительных структур кошлексов (как бьетродействущих, уак и многоразрядных)', обладающих расшрен-ныш возиоэтостяш по полосе сигналов, помехозащищенности, статической и динамической точности;

- изменив диначкческих погрешностей средств аналого-цифрового преобразования (в ток числе для наиболее распространенного метода преобразования - поразрядного уравновешивания);

- исследование методов реализации устройств Выборга-: и хранения (УВХ), позволяется сутгэственко уменьшить динамические погрешности АЦП; а такжз проектирование новых конструкций таких устройств;

- разработка экспериментальных методик исследования динамических свойств АЦП;

- разработка методик оценки и минимизации погрешностей квантования сигналов в комплексах аналого-цифрового преобразования;

- изыскание архитектурных и схемотехнических решений, обеспечивающих эффективное функционирование кошлексов аналого-цифрового преобразования в составе измерительно-информационных систем, включая вопросы согласования интенсивности потоков -данных, генерируемых высокопроизводительными АЦП, с темпом ввода данных в ЭВМ; определения и реализации функций средств первичной обработки данных, уменьшающих потоки данных, и т. п.

НАУЧНАЯ КОЭКЭМ 1. Впервые разработаны системы, обеспечивающие' регистрацию однократных быстропротекающих процессов за счет совместного использования микроэлектронных АЦП (снабженных широкополосными УВХ) и быстродействующей цифровой памяти.

2. Предложены новые структуры АЦП, позволяющие существенно повысить их помехозащищенность и способность к исправлению ошибок (в том числе динамических - вызываемых изменением измеряемой величины за время преобразования), защищенные авторски- -ч ми свидетельствами.

3. Исследован новый метод построения АЦП - "со сверткой", определена зависимость полосы пропускания подобных АЦП от постоянной времени каскадов устройств свертки и числа разрядов. Разработаны и реализованы АЦП со сверткой, имеющие значительно лучше технико-экономические показатели, чем обычные параллельные АЦП.

4. Изучены факторы,определяющие предельные возможности АЦП по возможному числу разрядов при фиксированном быстродействии и диапазоне преобразования, ограничиваемые его внутренними шумами (в том числе нестабильностью резисторов). Разработан последовательно-параллельный АЦП с цифровой коррекцией, обладающий рекордной совокупностью параметров.

5. Предложен и исследован ряд новых конструкций и схем разомкнутых УВХ, обеспечивающих повышенную широкополосноегь систем.

6. Впервые исследованы динамические ошибки АЩ1 поразрядного уравновешивания. Выполненный анализ позволил выявить основные свойства этих ошибок.

7. Разработана методика экспериментального исследования динамических погрешностей АЦП, основанная на определении предельной частоты входного синусоидального сигнала, на которой динамические ошибки^превшают размер кванта.

8. Проведено исследование погрешности квантования ЛЦП для сигнала, представляющего собой сушу постоянного сигнала, нормального шума, а также гармонического сигнала Разработана методика анализа погрешности систем, осуществляющих обработку сигналов подобного класса

НРЖГНЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Созданные комплексы и их узлы были использованы в физико-технических экспериментах по испытаниям новых изделий, исследования-новых явлений на предприятиях МАП, ЮМ, ЮН, МРП, ЮМ, ГКАЭ, в учреждениях АН и СО АН СССР: ИСЭ,

CAO, ИАиЭ, a Taras в МГУ .им. M. R Ломоносова. С помощью этих систем в ряде областей науки и техники получены новые результаты. Реализованы ранее неосуществимые испытания и исследования, заметно повышена их эффективность и сокращено вреда их проведения. Комплексы построены на основе програмно-управляе-мых магистралью-модульных структур с шкрокораспросграненными шинами КАМАХ, VME-bus, Q-bus. Большинство комплексов имело достаточно длинный жизненный цикл.

Гак, комплексы ввода в ЭВМ сигналов промышленных датчиков применялись долгое время при испытаниях сложных объектов современной техники. КАМАК->сошлекс ввода в ЭВМ инженерных параметров на 1000 каналов использовался в течение ряда лет при исследованиях мопрого технологического лазера

Разработанные широкополосные АЦП позволили создать ряд регистраторов однократных процессов ( цифровых осциллографов), с помощью которых осуществлялись физические исследования сигналов импульсного характера ( в частности, на Токамаке-4).

АЦП предельной разрядной! (20 разрядов при времени преобразования менее 1 мс),позволили осуществить переход на современные методы цифровой фидьграции в сейсмических исследованиях.

Создано и внедрено в практику автоматизированное рабочее место АРМ-исследователя, осуществляющее в реальном времени сбор и обработку широкополосных сигналов статистическими методами в полосе частот свыше 250 МГц.

По ряду измерительных модулей проведены ОКР в СКВ НП СО РАН, они выпускаются Опытным заводом СО РАН.

ДПР0МЩ1Я РАБОТЫ Основные результаты диссертации докладывались на; Международной конференции ЭШСКОН, Брно, 1971; Симпозиуме стран СЭВ по проблеме "Автоматизация научных исследований и обработки данных эксперимента", Москва, 1971; Беееовзгшх конференциях по автоматическому контролю и методам электрических измерений, Новосибирск, 1959-1969 гг. ; Bu (¿союзных симпозиумах "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭЦШ", ЕЬвосибирск, 1970, 1972, 1974 гг. ; Всесоюзных конференциях "Кибернетические пути совершенствования методов измерений и контроля", Жнинград, 1966,1976 гг. ; Всесоюзных

симпозиумах "Проблемы создания преобразователей формы информации", Клев,1970, 1973 гг.; Втором Всесоюзном симпозиуме по модульным икформационновычислитедьным системам, Дубна, 1978 г.; Всесоюзной кколе по автоматизации научных исследований, Новосибирск, 1985 ; Всесоюзной научно-технической конференции "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" Новосибирск, 1991; Международном рабочем совешдаи "Системы УМЕ-Ьиэ в физическом эксперименте и промышленности", Новосибирск,1991,и других конференциях, симпозиумах,семинарах.

ПУБЛЗДОДЩИ. По результатам исследований опубликована одна монография,54 статьи, получено семь авторских свидетельств на изобретения. Часть результатов отражена в научно-исследовательских отчетах по поисковым и научно-исследовательским работам.

ЛКЧНЕЙ ЕЙШД. Соискателю принадлежи постановка рассматриваемых в докладе задач, выбор методов решения, интерпретация и обобщение полученных данных. Разработки аппаратных и программных средств выполнены под научным руководством соискателя в руководимой им лаборатории.

На зачету вшосятса:

- новые структуры аналого-цифровых преобразователей, в том числе структуры двоичных АЦП с избыточностью; последовательно- паралллельные самокорректирующиеся структуры АЦП высокой разрядности;

- результаты исследования АЦП со сверткой амплитудной характеристики;

- результаты исследования динамических ошибок АЦП поразрядного уравновешивания;

- методика экспериментального исследования динамических свойств АЦП;

- новые технические решения основных узлов комплексов аналого-цифрового преобразования (в том числе и устройств выборки и хранения сигналов);

- результаты исследования методов уменьшения погрешности квантования гармонического сигнала при входном шуме, соизмеримом с размерами кванта.

- практические реализации комплексов аналого-цифрового преобразования повышенного быстродействия и разрядности;

2. СО^ЕРЗЛЕ® РАБОТЕ!

2.1. ШЭДШШВ ГЗКЩШ ЯЯЖЗЮЯ Ш17ШЮС1Й яшкгоаднш!

Исследования методов уменьшения погрешности квантования по уровню имеет больше значение дхя анализа погрешностей комплексов аналого-цифрового преобразования. Так., значительный интерес представляет изучение погрешности цифрового осреднения, проводимого с целью выделения слабых сигналов из шума, при кодировании снеси постоянного сигнала к периодической помехи и т. п.

Для разумного выбора параметров иума, налагаемого на входной' сигнал с целью повышения точности осреднения, было проведено изучение зависимости характеристик погрешности квантования снеси постоянного сигнала и шума от параметров шума в произвольной точке шкалы (особенно при калом по сравнению с квантом шкалы средни),! кзадрагическим значением шума). Показано, что для входного сигнала, представляющего собой сумму постоянного сигнала и нормального шума с дисперсией Оа .математическое ожидание погрэошости квантования при & < 0,3 когвт определяться как [1]

где - значение кванта;

си - дробная часть входного сигнала;

6 у 1

- функция Лапласа

Были получены выражения для корреляционной функции, интервала корреляции, дисперсии погрешности квантования и взаимно корреляционной функции этой погрешности и квантуемого процесса в зависимости от Л.

Дня .исключения влияния гармонической яс!.;эхи нестабильной частоты на результаты измерения постоянного сигнала предложи .метод и устройство цифровой обработки, осуществляющий осреднение двух групп отсчетов, отстошзйх на полпериода поыехи [2,33. В отсутствие шума погрешность осреднения при этом для принято-

го алгоритма осреднения .«¿ало отличается от погрешности кваиго-вания постоянного сигнала, уменьшаясь максимум в два раза.

В отсутствие гарионической помехи ь:акскмальная -среднек-вадратическая погрешность осреднения постоянного сигнала к нормального шума шкалы (при «Л*» 1/4 и X - оптимальном) в зависимости от числа отсчетов Л/ будет равна

' В случае осреднения смеси постоянного сигнала, нормального шума к гармонической помехи погрешность осреднения будет несколько меньше. Осредневное значение математического ожидания погрешности квантования будет на 1/3 меньше математического ожидания этой погрешности в отсутствии гармонической помехи. Дисперсия погрешности квантования и ее изменения по ¡¡¡кале также уменьшаются [4].

При цифровой коррекции аддитивных погрешностей значение погрешности квантования АЦП будет фунгадаей дробной части изме-ряешЯ величины и дробной части аддитивной погрешности [5]. При равномерном распределении аддитивной погрешности и осред- ч нении по измеряемой величине (для среднеквадратического значения сигнала б{ол]>ф) функция распределения погрешности АЦП с цифровой коррекцией имеет вид треугольника Присутствие шума на входе АЦП с цифровой коррекцией приводит к дополнительному разбросу показаний. При фиксированных значениях сигнала и аддитивной погрешности число различных результатов измерений составляет 2к+1,где к равно наибольшей целой части размаха шума.

Выполненные вычисления для нахождения плотности распределения погрешности АДП с цифровой коррекцией при действии на его входе шума с заданным законом распределения показывают, что при этом имеет место увеличение дисперсии случайной погрешности, зависимое от размаха шума. Так, при размахе шума,

г

равной +1,5 кванта, дисперсия АДП с коррекцией равна 1,84я , а без коррекции 0,83дг [63.

Результаты анализа погрешности квантования были использованы для ее уменьшения при проведении обработки в конкретных комплексах аналого-цифрового преобразования.

- и -

2.2. 'ГО&ТЩГЙПЗЗ ЕГ^ГХГ'Х СГЖГ

лде га?/-2Р^пого урдазе'ггтзйта

Дна того чтобы разрабатывать АЦП с лучквл? динамическими оьойстсакч было необходимо окапроанализировать динамические оккбкк АДП одного иг наиболее распространенных типов АЗШ - поразрядного урешовэшиврии».

Кз ре15урренгяого соотмоязвш, сшомвагц?го, входную их(Ь) к когаеасационную ик(Ь) величины ддп поразрядного уравновешивания, следует, что АДП порззрлдиого уравковекнвшшя выполняет Евхинейное преобразование к ке шяя бьть охэракт§ркзозаи передаточной функцией (в ее обычной сккслэ).

Абсолютное значение дипа^ичсогой озз:бки прибора поразрядно го уравновешивания будем определять как

С(п-1) д О -Ц.[ (п-1)ди. Уценивать зту опкбку для рзз.гичн1П законов ?!змзаеиил и^Щ по аналитически' Екгрз;\;еякяи затруднительно. Такую оценку могяо производить только члехеннюя; к'этогрча для из:.-зряешх величин, законы ивмевеиия которых известно В последнем случае динамические оийкя удобно определять гра^тглитичеекини методам, иалршк-'р, с пошцыэ дкагргг; состояний, показывающих путл возкогаого изменения компенсационной величины АДП. йимадн-вэя график измеряемой величп-ны их на диаграмму состояния .АДП (рис. 1),!-:ояю непосредственно получить значения динз-гаческой оезйгся.

Анализ днкатчэской ошибки позволил выявить некогорш ее свойства. При фиксированной скорости изменения их значение данашческой ошибка не зависит от номера тощей в столбце дкагракш состояний и зависит ог номера сравнения. Дикаш-ческач ошибка тем больга, чем больше тактов проходит медду последние командам компаратора "кеньсэ" и "больсе". Значения дкяагжеских ошибок для их, отгичачхцихся знаком производной,

В/2

равны (с погрешностью дискретности) и противоположны по знаку. Максимальное значение динамической окибки не зависит от количества разрядов АЦП и равно изменении измеряемой величины за время измерений - д1) ^(^-^(ипйЦ, если это л1!у меньше половины диапазона измерения и никогда не достигает д11х, хотя и увеличивается с ростом л, если дЦд больше половины диапазона измерения. Итак, для АЦП поразрядного уравновешивания анализируемая ошибка зависит не только от значения производной измеряемой величины, но и от значения самой величины С 7].

Помимо максимальных динамических ошибок отдельных результатов, желательно знать статистические характеристики динамической ошибки. Наиболее полно эти статистические характеристики описывается осредненной по шкале плотностью ее распределения и плотностью распределения динамической ошибки для данного результата измерения. Был проведен анализ статистических свойств динамической ошибки АЦП поразрядного уравновешивания б предположении, что измеряемый сигнал (I) на интервале времени измерения изменяется линейно и что совместная плотность распределения вероятностей значений измеряемого сигнала и его производной р(ихз1)д) известна

В связи с тем, что условная вероятность И&'ЛКЪр}] сложным образом зависит от и(Ц), осредленную по шкале плотность распределения динамической ошибки АЦП поразрядного уравновешивания целесообразно находить графическим способом. С целью отработки методики были проделаны вычисления в предположении, что случайные величины ид О и и/(Ч) независимы и распределены равномерно. Это условие позволило свести вычисление р[&"/!_!( Ц)] к вычислению площадей, заключенных шяду крайними прямыми 1ДI), для которых ошбка принимает определенное значение О". В связи с тем, что ошибки при попадании и^. в разные кванты шкалы будут различными, необходимо осреднение условной вероятности провести сначала в пределах каждого кванта Число вычисляемых распределений этого типа не равно числу квантов ввиду того,что распределения для некоторых квантов либо одинаковы, либо являются зеркально-симметричными по отношении друг к другу. Для получения осредненной по шкале плотности распределения ошибки р(?>) ординаты графиков условной плотности распределения внутри как-

дсго кванта должны быть просуммированы с весовыми коэффициентами, определяемыми распределением 11(Ц). Проведенные для шестиразрядного АЦП вычисления показали, что при равномерном распределении 11х в пределах: шкалы, а их в пределах мате-

матическое опадание ошибки равна О,г , а дисперсия ошибки составляет 0,571чг. Отметим, что дисперсия при тех же предположениях, вычисленная по обычно используемым формулам, значитель-2

но больше и равна 12ц .

При увеличении предельного значения производной и при увеличении числа разрядов АЦП (при сохранении предельного значения производной) осредненная по икале плотность распределения ошибки будет приближаться к нормальной С 8].

2.3. КЗЭД5! КССТРОЕЕТЕ! УСГРСПСТЕй ШЗЭРПИ И ХРА&гНКЯ СЗТНДЮЗ Для укэньшеяия погрешности измерения при больших скоростях изменения нз^ряеной величины в АЦП используется устройство вь-борки и хранения уровня измеряемой величины на время преобразована (УВХ). УВХ исключает динашческие погрешности АЦП, но обладает свои>.ет погрешностями - как статическими, так и динамическим?.'

Одна кз основных погрешностей УВХ - погрешность недозаря-да накопительного конденсатора - исследовалась для практически интересного вида-.входного сигнала - сигнала синусоидальной форш [Ш. Анализ показал, что при этом погрешность кедозаряда также изменяется по синусоидальному закону. Ее максимальное, значение для случая, когда диапазон изменения сигнала равен диапазону измерения АЦП, а число отсчетов на период велико, равна тг Т\

^т = "Гг1)[Те ^н-чО-б

где Т! - диапазон измерения;

■ц) - частота входного сигнала;

- постоянная времени цепи заряда УНХ;

ТД^-время выборки, вреш преобразована Существенного,уменьшения фазовых погрешностей УЕХ можно добиться путем отнесения результата Выборга к моменту Ь-т,

Максимальная погрешность УВХ в этом случае определяется выражением ПОЗ „ „

где at и u)-L - амплитуда и частота гармоник вгодиого сигнала.

Результаты аналого-цифрового преобразования часто используются для статистического анализа Поэтому необходимы оценки погрешностей статистических характеристик входного сигнала, возникающих при его прохождении через УВХ Погрешности энергетического спектра и корреляционной функции для входного сигнала,в качестве которого принят белый шум, пропущенный через инерционное звено с постоянной времени опреде-

ляются как 0

л , - (иЬ-иХЛЛ:/

s ' R vD* u)9 5

где Ii)® = •

Из многочисленных причин появления апертурной погрешности практически наиболее важной является соетавлякгщя, вызываемая длительностью фронта напряжения, управляющего ключом (1 ).Если считать, что переход клмча УВХ в состояние "разомкнуто"мо,-;гет произойти в любой момент фронта управлявшего сигнала, то в качестве грубой оценки апертурной погрешности шяно принять выражение -CS „

ossau)T3.

Для УВХ, в качестве ключа которого используется полевой транзистор, был исследован переходный процесс установления напряжная на накапливаюсь! конденсаторе. Анализ проведен в предположит, что на вход УВХ поступает линейно-мзыенявдгеся напряжение Ux=kt,a управляющее ключом напряжение также изменяется по линейно!,(у закону. Выходное напряжение УВХ равно

Ь I t.

U~ / ^ ( ) где Ф(И) - функция Лапласа; ~У~2~г *

t? - длительность фронта управляющего напряжения.

- 15 -

!Ьйяо считать, что в отом случае переход ключа УВХ в состояние "разомкнуто" осуществляется игновенно, но с некоторой заде ржой. Поэтому анализируемая погрешность в принципе может быть уменьшена соответствующей датировкой отсчета и практически будет определяться лишь разбросом параметров элементов УВХ. Апертурное время при этом составляет около 0,1-Ц .

Анализируется выигрыш от применения УЕХ при различных режимах его работы. Выигрыш (отношение предельных частот входного сигнала, при заданном значении погрешности преобразования) определяется как л] В&го

где R - сопротивление ключа УВХ;

- входной ток буферного каскада УВХ;

5го - дополнительная погрешность недозаряда

Для того, чтобы избежать потерь вредани на выборку, используется так называемые двухканальньте УВХ. Выборка и хранение в каналах этих УВХ осуществляется в противогазе. Теоретическое и экспериментальное исследование подобных УВХ показало, что в них необходим затраты времени на затухание переходных процессов в ш^утаторе каналов. Применение дзухкакальных УВХ позволяет увеличить е><кость накзллквазщзго конденсатора и тем cai.O£i уненькить статические погрешности УВХ, однако при этом увеличивается погреиностъ в режиме пленения СИ].

Теоретически рассмотрены сравнительные характеристики УВХ с использованием в качестве запоминающего элемента конденсатора (УВХН) и катушки индуктивности (УВХТ). Проанализированы дуальные конфигурации УВХ емкость - ключ - зысокоомный каскад (повторитель); индуктивность - ключ - i-кекад с низкоошым входом. Определены требуемые параметры цепей этих конфигураций УЕХ, обеспечивающие одну и ту ж постоянную времени, а также равенство запасенных в них энергий. Показано, что целесообразность практического использования УВХТ определяется добротностью их элементов, которая пока хуже в УВХТ, чем в УГ-XIi. С точки зрения влияния паразитных параметров УВХТ будет хуле, чей в УВХН С12].

Создание УВХ для малых времен Выборга сопряжено с преодолением некоторых трудностей, поэтому было важно исследовать

возможности сравнительно малоизученных интегрирующих устройств выборки и хранения (КУВХ). ИУБХ работает в три этапа,- интегрирование, хранение и приведение интегратора в исходное состояние. Око запоминает не мгновенное, а среднее значение сигнала за время выборки - время интегрирования. В связи с этим значительный интерес представляет вопрос о методической частотной погрешности ИУВХ и возможность ее минимизации.

Рассмотрена связь мгновенных и средних значений сигнала в ИУБХ путем его представления как скользящего интегратора. Проанализированы погрешности восстановления мгновенных значений цифровым фильтром с характеристикой, приближающейся к обратной характеристике скользящего интегратора. Для оценки корректирующих свойств рассчитанных цифровых фильтров были определены АЧХ последовательного соединения ИУВХ и синтезированных фильтров (с окном Хемыинга), которые показали, что применение цифровой фильтрации позволяет существенно уменьшить частотные погрешности ИУВХ Целесообразность применения ИУВХ определяется их инструментальными погрешностями, поскольку их методическая частотная погрешность сводится до приемлемых значений сравнительно простой обработкой отсчетов [131.

В процессе проведения исследований было разработано большое число практических реализаций На Ьыходноа увх [14,15]. Остановимся ниже К. поЬг»°Ригпель на самих интересных.

При создании широкополосных АЦП определенные трудности возникают при разработке УВХ с малым временем выборки и малым временем установления переходных процессов на его выходе. В большой числе созданных с этой

Ваб/хр Рис.2

целью широкополосных разомкнутых УВХ для построения ключа использована ехе^а на управляемом зматтерном повторителе (рис.2). Подобный ключ, практически не уступая другим видам ключей (например, диодным гостам), отличается более простыми

цепями управления [161. В практической схеме УВХ с таким ключом входные зжгтерные повторители управляются переключателем тока. Зга схема хорошо защищает зафишированное на конденсаторе напряжение от воздействия входного сигнала (через паразитные емкости). Изменение (смещение) диапазона входного сигнала осуществляется путем включения генератора тока на нагрузочные сопротивления медду первым и вторым повторителями. В последней разработке УВХ, выполненного■по подобной схеме [17], достигнуто время выборки в 5 не.

Некоторого улучшения свойств УВХ можно достичь за счет дифференциального включения элементов [18]. Очевидно, что для такой схемы УВХ синфазные помехи, возникающие при коммутации ключей от наводок цифровой части, от разряда конденсаторов вычитаются и тем самым «анимизируются.

Апертурное время УВХ с ключем-повторителеи не зависит от уровня сигнала, поскольку при любом его значении потенциал базы ключа-повторителя всегда нужно изменять только па 0,7 R Неопределенность привязки отсчета составляет долю длительности Фронта импульса,управляющего ключом, и шлет быть менее 0,1нс.

В заключение кратко рассмотрим особенности УВХ, разработанного для быстродействующего АЦП предельной разрядности [19]. Основная задача, возшдеащзя при разработке УВХ для высокоразрядных АЦП, заключается в борьбе с абсорбцией накопительного конденсатора, которое проявляется в виде изменения напряжения на запо:.ошаш;ем конденсаторе после перехода УВХ в режим хране-. ния. Погрешность абсорбции в разработанном устройстве компенсируется двумя RC-цепочками, формирующими две экспоненты с постоянными времени 2 и 20 мс, которые с выхода УВХ через делители поступают на нижнюю обкладку накопительного конденсатора Внутренний шум разработанного УВХ определяется использованными в нем операционными усилителями и составляет 10-15 мкЕ УВХ имеет в режиме выборки полосу 5 кГц, что обеспечивает на частоте 10 щ приемлемое значение динамической погрешности. Испытания разработанного УВХ показали, что его параметры (статическая погрешность, пьедестал, абсорбционная погрешность, скорость разряда, погрешность в режиме слежения) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к УВХ двадцатиразрядных АЦП (с

квантом 8 мкВ), за исключением некоторого незначительного' пре-вдюнвя значений внутреннего цума к прямого прохождения.

2.4.ПРОЗШа; ЕЙЕ&ГгЧШЗК ССЗЗЯЗ /¿Ц Одной кз важных задач при создании и исследовании УЖ и АЦП явилась разработка методики к устройств контроля кх дина-' нических параметров. Непосредственно определить основной параметр УВХ - апертурное время - затруднительно. Поэтому динамику АЦП предложено характеризовать полосой входного сигнала синусоидальной формы, который ыозкет быть преобразован с заданной динамической погрешность» (пробный сигнал ступенчатой формы не дает возможности выявить влияние апергурного Бремени). За максимальную частоту преобразуег,юго сигнала принимается частота входного сигнала, при превышении которой на осщ!ллогра;.г,;е Босстановленного сигнала появляются искажения соизмеримые с размером кванта 1201.

Разработанная мегодккз и установка, реализующая ее, основаны на визуальном сравнении Форш входного сигнала н сигнала, восстановленного по отсчетам АЦП с помощью ЦАП. Эта методика проста, не требует много оборудования, наглядна, дожег быть использована при наладке и настройке ЛЦП5 позволяя определять минишльно допустимое время преобразования исследуемого АЦП.

Для реализации визуального сравнения входного к восстановленного сигналов предложено использовать стробоскопический осциллограф, который позволяет получить практически любое число выборок на период частот сигнала вплоть до ГГц. Тестовый сигнал одновременно поступает на один вход осциллографа и на вход исследуемого УВХ (АЦП). Выход ЦАП подключен к другому входу осциллографа. Для получения стробоскопического эффекта в качестве сигнала переноса цифрового кода с выхода АЦП в регистр ЦАП используется импульс,синхронный со етробимлульсом осциллографа. Этот же импульс,пройдя через устройство регулируемой задери«, осуществляет запуск АЦП. Устройство регулируемой задержи позволяет изменять сдвиг между прямым к восстановленным сигналами, совкэщать осциллограмма зтлх процессов.

Применение стробоскопического осциллографа позволяет оценивать дифференциальную нелинейность в любой точке скалы

исследуемых АЦП. Особенностью методшш проверки АЦП является сравнительно низкая частота запуска АЦП, разная частоте стро-бимпульсов осциллографа.

Разработанная установка после некоторой ее модернизации путем включения в ее состав генератора пачки импульсов запусга. АЦП [16] использовалась при испытаниях разработанных и описанных в других разделах АЦП.

2. 5. РАБРШККЛ Й31Щ08 ШХПРОШШ 11С2Ж

сшш? вяхшпчхево^пзльйых АВД

Изучение структур АЦП было начато еще з 1960 году с исследования простейшей структуры АЦП - поразрядного уравнове-амвания, по которой было создано одно из первых электронных цифровых изшрительных устройств такого типа в Союзе - цифровой милливольтметр С21,22]. Во мере систематизации и в процессе анализа суж,естьовавнего опыта их проектирования [23-26] была предложена обобщенная модель АЦП Г 24], в которой масштабные преобразователи (ДАЛ) включены не только в канал компенсационной, но и в канал измеряемой величины. Разработаны АЦП с переменной структурой управления [27-28]. Предложен ряд новых структур и технических решений АЦП [29-31]. Так, важным оказалось представление устройства управления АЦП, как сумматора, в который в процессе уравновешивания для изменения компенсационной величины заносится последовательность чисел по определенному, например, двоичному закону. На основе такого представления предложи АЦП поразрядного уровновешивания от уровня достигнутого при предыдущем измерении (без сброса) . за счет использования в устройстве управления реверсивного счетчика. Такая структура позволила снизить требования к времени затухания переходных процессов, уменьшить время преобразования [32].

2.5.1. АЩ1 е 1Е&л-сч1ссетьй1 Особого упоминания заслуживает разработанный метод введения избыточности в двоичные АЦП -построение двухканальных АЦП [ 33-35]. В таких АЦП на каддом такте уравновешивания компараторы определяют принадлежность измеряемого напряжения к одной из грех зон, границы которых задаются двумя ЦАП. Особенностью предложенного АЦП является то, чао зоны на соседних тактах перекрываются. В этом АЦП ком-

пенсационкая величина как бы "ощупывает" с разных сторон измеряемый сигнал. За счет введения избыточности здесь АЦП осуществляется исправление погрешностей, возникающие за счет помех или эквивалентных им изменений измеряемой величины за время измерения, ослабляются требования к быстродействию элементов АЦП. Допустимые скорости изменения измеряемой величины увеличиваются до одного кванта за такт.

2.5. 2. Сгедщке АЩ с зжяфзиахацкей. Одним из основных недостатков во многом перспективного типа АЦП следянрго уравновешивания (он моют не требовать УВХ) является срыв слежения при резких изменениях измеряемой величины их. Стремление повысить допустимую скорость заставило провести исследования и разработать неравномерно-следяший АЦП с линейной экстраполяцией (в отличие от обычного сяедяпэго АЦП, в котором, как известно, осуществляется экстраполяция полиномом кулевого порядка) Г 36,373. Подобный АЦП позволяет достаточно просто осувзест-вить адаптивную дискретизацию с восстановлением сигнала полиномом первого порядка, поскольку в нем определяется прираэдэние первой производной сигнала, которым является ошибка предсказания 'на каждом такте экстраполяции. Для этого разность входного и предсказанного сигналов с помощью набора компараторов преобразуется в код, формируя новое значение приращения. Был построен восьмиразрядный АЦП неравномерно-следящего уравновешивания с набором, содержащим 16 компараторов, и тактовой частотой выдачи кодов - 4 МГц. Граничная частота входного сигнала, при которой происходит срыв слеязния, составляет 200 кГц.

2.5.3. Последователь ко- кар^дяе ль кие к канвейэргагз ДЩЕ. В большом числе случаев практика требуем АЦП с быстродействием, которое не может быть обеспечено с помощью АЦП уравновешивания, рассмотренных выше. Поэтому перспективным явилось исследование и создание последовательно-параллельных АЦП (поразрядного совпадения) [38). ■ В параллельно-последовательных АЦП полученный на первом такте код старших разрядов преобразуется с помощью ЦАП в аналоговый сигнал и вычитается из входного сигнала Разность усиливается и на втором такте осуществляется формирование младших разрядов результата Применяются две структурные схемы подобных АЦП: с многократным и однократным испо-

льзовании в АЦП одного набора компараторов. Характерным для первой схемы является относительно • экономное использование оборудования,однако в них необходимо осуществлять коммутации, изменять значения порога компаратров. Вторая структурная схема более проста, но в ней наборы компараторов используются только по одному разу. В конвейерные АЦП для полного использования компараторов код старших разрядов, найденный на первом такте, и аналоговая величина, соответствующая этому коду, запоминаются. На входы компараторов второго набора подается разность запомненного на первом такте входного сигнала и сигнала ЦАП, При этом появляется возможность одновременного опроса обоих наборов компараторов и тем самым устранения их "простоев".

При описании динамических свойств АЦП следует различать интервалы времени, в течение которых производится преобразование, и интервалы дискретизации, через которые берутся значения отсчетов. Для параллельно-последовательного АЦП с числом наборов компараторов ш время преобразования

Чпр т (Тнк+

где Тнк - время преобразования в наборе компараторов; Тцдп -время установления в ЦАП.

Для конвейерных АЦП период дискретизации не зависит от числа наборов компараторов

у /

т = т + т

, НК ЦАП •

где Т нк - задержка в усилителях набора компараторов.

Для реализации конвейерного метода используют несколько линий задержки, выполненных, как правило, на кабелях. Такие линии задержи громоздки, требуют согласования. Избежать таких недостатков, улучшить метрологические характеристики и обеспечить гибкость в управлении модно путем замены линий задержки устройствами гиборкк и хранения.

Было проведено сопоставление параметров, которые могут быть получены в различных структурах подобных АЦП, в частности, установлено, что применение двухтактных УВХ в конвейерных АЦП является более оправданным, чем в последовательно-параллельных АЦП. Минимальный интервал дискретизации и ыинималь-

ное апертурное время ври приемлемых затратах оборудования обеспечиваются в конвейерном АЦП с двумя двухтактными УЖ

Был построен действующий макет конвейерного АЦП. Диапазон входных сигналов шестиразрядного АЦП составляет +2,5 К Частота выдачи кодов 20 МГц при погрешности порядка 27.. Расчетное апертурное время меныве 0,5 не [39,40].

В связи с изучением возможностей использования линии задержки для уменьшения динамических ошибок АЦП была поставлена задача создания последовательно-параллельного АЦП с запоминанием сигнала линиями задержки, обеспечивающего малые динамические погрешности без УВХ. Был осуществлен выбор структурной схемы такого АДП, рассмотрены особенности его работы. В приборе линия задержи используется для уменьшения апертурного времени, а коррекция - для исключения остаточных алертурных погрешностей. Коррекция осуществляется за счет введения избыточности во второй - набор компараторов. Поскольку значение допустимых ошибок, которые могут быть скорректированы, превышает апертурную погрешность, в АЦП возможно исправление статической погрешности, вносимой первым набором компараторов. Поэтому такой АЦП может быть более простым в реализации и настройке, чем в АЦП без избыточности [413. Созданный макет корректирующегося воеьмиразрядного АЦП с линией задержки обладал тактовой частотой 10 МГц и обеспечивал кодирование входных сигналов в полосе частот входного сигнала до 3 МГц (без линии задержки в полосе порядка 100 кГц). '

Среди созданных последовательно-параллельных АЦП заслуживает упоминания и преобразователь , разработанный для системы контроля фотоматриц. Он иыеет12 разрядов,быстродействие - 3 МГц. АЦП снабжен устройством двойной коррелированной выборки (УВХ с аналоговой компенсацией пьедестала сигнала). Высокое быстродействие было достигнуто за счет разработки широкополосного усилителя разности на дискретных компонентах. Число эффективных разрядов этого АЦП составило на частоте Найквиста около 10, а дифференциальная нелинейность - О, б кванта АЦП выполнен в виде КАМАК модуля.

Появление отечественных серийных микросхем АЦП заметно изменило содержание работ инженеров-проектировщиков измери-

тельных- устройств и систем. Однако весьма большое число задач практики не может быть решено стандартны?,« средствами. Приходится по-прешему проецировать новые измерительные схемы, исследовать возмошгости и свойства серийных микросхем АЦП, ЦАП, прочих БИС. Серийные микросхемы становятся новыми комплектующими изделиями, с помощью которых решаются задачи повышения точности и быстродействия измерительных устройств. В этой области были проведены работы по определению свойств серийных микросхем параллельных АДП и, в частности, полосы сиг-калов, в которой кодирование осуществляется без добавочных погрешностей. Исследования этих микросхем АЦП показали, что для обеспечения полосы кодирующих сигналов, соответствующей теореме отсчетов,они должны быть снабжены широкополосными УВХ С16].

Повышение частоты дискретизации и расширение полосы регистрируемых сигналов могут быть достигнуты путем параллельного включения нескольких каналов АЦП, снабиэнных УВХ, и запуском их со сдвигом. Было выполнено исследование особенностей работы подобных скоростных цифровых регистраторов С 42]. Такие АЦП должны обеспечивать шрокополосность каждого канала (полоса кодируемых им сигналов должна соответствовать не толыаэ паспортной частоте дискретизации микросхемы АЦП, но и повышенной частоте дискретизации, обеспечиваемой в рассматривавши реккме), идентичность передаточных характеристик каншгов; датировку отсчетов с приемлемой временной неопределенностью.

Был создан и передан ' в опытную эксплуатацию широкополосный цифровой регистратор, позволивший обеспечить четырехтактный режим с частотой дискретизации 80 МГц при объеме памяти 4 К отсчетов.

Последняя разработка в зтой области - это многоканальный комплекс регистрации однократных процессов, выполненная в стандарте-VME. До обеспечения повышенной разрядности используется набор из двух микроэлектронных АЦП, а для достижения при этом необходимого бысч-родбйстБКЯ используется два набора из двух АЦП, работающих поочередно [43]. Это позволило получить следующие характеристики регистратора; число каналов в одном модуле - два частота дискретизации - 75 МГц, полоса 100 МГц, затухание в УВХ на частоте 100 МГц - 3 дБ, время выборки УВХ -

4 не. Эффективное число разрядов регистратора слабо зависит от частоты, на частоте Найквиста близко к б разрядам. Дифференциальная нелинейность -0,4 кванта.

2.5. 4. АЦП со сверткой. В АЦП, основанных на этом принципе, возможно получение высокого быстродействия при сравнительно небольшом объеме оборудования.

Преобразование вида "амплитудная свертка", выполняемое устройством амплитудной свертки (УАС),, описывается следующим выражением;

и,

"ИЗ (1+1) <г-и

ад

для для

1 = 0, ±2; +4; 1 = +1; ±3,

где ивх ,ивь|Х - входной и выходной сигналы; 0 -выходной диапазон УАС, приведенный к входу; 1 - номер участка на характеристике УАС.

Младше разряды кода результата преобразования в АЦП со' сверткой определяются с помощью младшего набора компараторов, подключаемого к еыходу УАС, а старшие разряды - старшим набором компараторов (СЯК), подключенным к входу УАС. Обцзе число компараторов при этом оказывается заметно меньшим, чем в параллельном АЦП.

Подобный быстродействующий АЦП с УАС позволяет получить высокую частоту дискретизации, которая определяется тактовой -частотой записи результата преобразования в выходной регистр . Однако полоса частот, в которой сигнал кодируется с погрешностью меньше младшего разряда, в АЦП с УАС будет ограниченной (по сравнению с частотой, определяемой теоремой отсчетов)

из-за конечного быстродействия элементов.

Поскольку линейность ампли тудной характеристикой УАС особенно для быстроизменяюцихся входных сигналов обеспечивать затруднительно, АЦП со сверткой целесообразно выполнять по структурной схеме, приведенной на рис. а В этом случае в АЦП используются два параллельно включенных УАС, амплитудные харагсге-

снк

И 2

->з а и а

Л

о а

УЯС1 -э ИНК! —5»

п. х:

аясг -э ПНК2

■о а к а

ристики которых сдвинуты относительно друг друга на величину 0/2. Конец линейного участка на одной амплитудной характеристике соответствует началу линейного участка на другой. Уровни квантования наборов компараторов МНК1 и МНК2 размещены в линейных зонах характеристик. Кодер КМР преобразует позиционный код в двоичный код на выходе того набора компараторов, где сигнал находится в линейной зоне С 44].

Шказано.что обк^е число компараторов (К) в таких АЦП в зависимости от его числа разрядов (п) и числа изломов (Ю амплитудной характеристики УАС определяется выражением М2п/И+1)-1+2Я.

При нарастании N значения К сначала резко убывают, достигают минимума, а затем медленно увеличиваются. Число компараторов минимально при N=2 .

Исследованы вопросы реализации УАС, которые для быстродействующих АЦП целесообразно строить по разомкнутой схеме на транзисторных или диодных переключателях токов. Экспериментально изучены известные и вновь предложенные схемы УАС на транзисторных переключателях тока. Эти устройства состоят из ряда дифференциальных каскадов, коллекторные выходы которых соединяются определенным образом. Выходной сигнал УАС формируется в виде разности этих коллекторных токов. Ва правые входы дифференциальных каскадов задаются уровни, соответствующие средним точкам линейных участков на амплитудной характеристике УАС, на левые - входной сигнал.

Рассмотрена связь предельной частоты входного синусоидального сигнала (Гп) максимальной амплитуды, преобразуемого с заданной погрешностью, с числом изломов на амплитудной характеристике УАС, аппроксимируемого апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени "С :

ИЛ ---;-- - 1 .

Эта формула имеет смысл для области частот, ограниченных неравенством >п1п2+&14'ЗТ £л;>0.

На основе проведенных исследований было создано несколько АЦП, описываемых ниже. Один из них - восьмиразрядный широкополосный АЦП с УАС, снабженный УВХ Частота дискретизации в нем определяется свойствами УАС - временем затухания переходных процессов в аналоговых цепях УАС и компараторах, а полоса кодируемого сигнала - УНХ [18].

Устройство амплитудной свертки этого АЦП представляет собой набор из восьми параллельно вклкченных дифференциальных каскадов. Дифференциальный входной сигнал поступает на каждое УАС через дифференциальные повторители: с одного выхода - на среднюю точку делителя, задающего точки излома характеристики УАС, с другого - на базы дифференциальных каскадов УАС. Выходы дифференциальных каскадов объединены на выходном каскаде с общей базой и поданы на 1£ЕК1 и ШК2. Особенностью описываемого АЦП является то, что на вход СЯК сигнал подается с выходов дифференциальных каскадов УАС2, не используемых для создания сигнала свертки.

Изучены переходные процессы в УАС, показано, что при воздействии на вход УАС ступенчатого сигнала каждой парой полностью переквочаваяхся соседних дифференциальных каскадов формируется импульс тока, являющийся суперпозвдией двух экспонент разной полярности, смещенных во времени. Экспериментально выявлено, что при скачке на входе вследствие влияния линий связи в УАС возникает медленно затухающие колебания. Поэтому на выходе УВХ должны быть применены демпфирующие НС-цепи.

Компараторы на основе приемников с линии ЭСЛ-логики совместно с микросхемами кодера обеспечивают порог чувствительности порядка 5 мВ и напряжение смещения меньше 10 мВ, что при кванте младшего набора 50 кВ позволяет получить приемлемую погрешность. Число компараторов в ШК равно 16 (16-й компаратор используется для того, чтобы отметить конец рабочей зоны). СНК содержит семь компараторов, пороги срабатывания которых соответствуют концам линейных участков амплитудной характеристики УАС2.

Унитарный код с выхода НК преобразуется в код Грея,что позволяет избежать известных ошибок, возникающих при входном сигнале, близком к пороговому уровню одного из компараторов.

Кроме того, код Грея представляется естественным при кодировании сигнала с выхода УАС, поскольку дает более простую реализацию кодера.

Созданный восьмиразрядный АЦП, использованный в телевизионной цифровой системе обработки изображений, обладает следующими параметрами: диапазон входного сигнала +1,25 В; максимальная частота - 15 МГц ; полоса сигнала, в которой погрешность преобразования сохраняется в пределах +1,25 кванта, составляет 7 КГц. АЦП выполнен в виде модуля КАМАК двойной ширины.

Практически весьма неплохие параметры (даже по современным меркам) были получены в другом АЦП с УАС, разработанном для двухканальной системы регистрации данных [453. Этот АЦП построен с УАС с тремя линейными участками. Амплитудная свертка реализуется с поыощью двух дифференциальных каскадов с раз-ныш! коэффициентами передачи. Шея в МНК ло 16 компараторов, оказалось еозмоаным построить АЦП на 96 уровней. Дня формирования кода трех старших разрядов в качестве старшего КК используется компаратор нулевого уровня, младший компаратор из одного набора и старший компаратор из другого набора

Была достигнута частота дискретизации 130 МГц; входной сигнал в полосе 7 МГц кодировался с погрешностью +1 квант. Изготовленные АЦП этого типа много лег используются для автоматизации экспериментов на различных физических установках.

2.5. 5. ¿Щ1 бодьяой разрядаюетх Несколько особняком стоят исследования структур быстродействующа АЦП высокой разрядности [19,46]. Здесь основное внимание было обращено на обеспечение требуемой дифференциальной нелинейности АЦП. Показано, что династический диапазон и разрядность АЦП ограничены внутренними ¡думами его элементной базы, в частности, низкочастотным! пумами - нестабильностями резисторов ЦАП, используемых в этих АЦП. 'По критерию "разрядность - быстродействие" наиболее оптимальным для построения многоразрядных АЦП является последовательно- параллельная структура, реализованная на современной элементной базе с минимальными шумами.

Эффективны!,! средством минимизации нестабильности резисторов ЦАП является использование периодической коррекции весов

ЦАП. Процедуры коррекции основаны на том, что при линейной характеристике преобразования вес более старшего разряда двоичного ЦАП равен суше всех более младших разрядов плюс вес дополнительного младшего разряда. Поэтому для определения погрешностей на ЦАП подаются смежные кодовые комбинации вида 01... 11-10... 00 и измеряются разности

где ик> - реальные веса разрядов; п - разрядность корректируемой части ЦАП.

Операция получения разностей смежных комбинаций реализуется с помощью вспомогательного малошумящего ЦАП смещения, исключающего постоянную составлявшую, равную весу корректируемого разряда.

Процедура коррекции "снизу-вверх" начинается с младшего из корректируемой части разрядов. Измерение малых разностей производится АЦП. ^корректируемая часть разрядов ЦАП заменяется эквивалентным нулевым разрядом с соответствующим весом.

Из полученных данных вычисляются поправки к разрядным весам к-1 1 — 1

ек-дк+21 г д .

1=1 * 1

Скорректированные значения разрядных весов будут равны:

По вычисленным поправкам к отдельным разрядам могут быть определены 2 -1 поправок ко всем возможным кодовым комбинациям.

Реализация алгоритма самонастройки "снизу-вверх" приводит к изменению масштаба преобразования ЦАП, который необходимо корректировать с помощью ЦАП-корректора масштаба.

Известен другой алгоритм коррекции нелинейности ЦАП "сверху-вниз" , неимеодий указанного недостатка. В этой процедуре измерение базовых разностей начинаются со старшего разряда. Чтобы избежать накопления ошибок при вычислении поправок, необходимо при измерении последующих значений использовать ранее скорректированные значения разрядных весов. Тогда поправки к весам принимают вид

Экспериментально показано, что "чувствительность"алгорит-)!3 "сверху-вниз" к внутренними шумам несколько выше по сравнению с алгоритмом "снизу-вверх".

Следует отметить, что процедуры определения и введения в результат измерения поправок справедливы лишь при условии выполнения принципа суперпозиции разрядных весов ПАП. В частности, нарушение этого принципа происходит из-за "тепловых хвостов" переходных процессов при переключении разрядов ЦАП, возникающих при изменении мощности рассеяния как в активных, так и в пассивных элементах.

Главными узла),{и разработанного АЦП являются (см. рис. 4.): цифро-аналоговый блок, содеряаидй основной ЦАП (а также три вспомогательных ЦАП - для цифро-аналоговых операций), усилитель разности с фильтром, шшшх частот и двенадцатиразрядный многоточечный АЦП поразрядного уравновешивания (с временем преобразования 50 мке). Основной ЦАП киеег 11 разрядов и для осуществления коррекции имеет дополнительный разряд с весом, равным весу младшего разряда Вспомогательный двенадцатиразрядный АЦП осуществляет преобразование входного и усиленного разностного сигналов.

Рис.4

При проведении коррекций в цифровой форме вычисления осуществляется по двум отсчетам вспомогательного АЦП и по результатам коррекции. Цифровой способ введения поправок предпочтительнее, чем цифро-аналоговый, хотя требует выполнения добавочных операций и затрат времени.

- so -

Испытания действующего макета АЦП показали, что благодаря разработанной структуре и предпринятым шрам снижения иуиов и осуществлению ¡юррекции построение двадцатиразрядного АЦП с временем преобразования порядка 1 мс. Исходная дифференциальная нелинейность ЦАБ в десятки квантов путем коррегадеи уменьшается до уровня шумов.

Предельными возможностями по быстродействию обладаю? АЦП, основанные на промежуточной записи сигнала на миюени ЭЛГ и последующего его кодирования при считывании, но уже в медленном теше [47]. Созданный регистратор однократных процессов на основе этого метода на специальной двухсекционной ЭЛГ работает в полосе частот входного сигнала до 1 ГГц и обеспечивает регистрацию 512 девятиразрядных отсчетов с эквивалентным интервалом дискретизации менее 20 пс.

E.G. РЕДШЗАЩЗ! 1ИШШ100В U'JJjjIS}-Щ22Р0й0Г0 EPHJSPÄSGB&ISSJ

Б этом разделе кратко описываются некоторые из реализованных комплексов аналого-цифрового преобразования. Эти комплексы могут быть разбиты на несколько классов: измерительные комплексы ввода данных в ЭВМ, комплексы регистрации однократных процессов, комплексы для регистрации и предварительной об-работга изобратанпй и сложные измерительно-вычислительные комплексы, где аналого-цифровые функции составляют определяющую хотя и относительно малую часть общего их числа. Особенностью комплексов является то, что они создавались главны).! образом для автоматизации крупных уникальных установок, однако, большая часть построенных устройств и элементов мог;ет успешно использоваться в системах автоматизации широкого применения.

2.6.1. Ecjiixsiicu щгаЕаго-цг^рсшхго щж-сОзжгсхал^ дая щсь£ьнл21всв датчики. Первые описываемые ниже комплексы были созданы на заре развития аналого-цифровой техники, но многие разработанные технические решения не потеряли актуальности до настоящего времени. Зги системы были предназначены для автоматизации испытаний сложных образцов техники с помощью промышленных типов датчиков - потенциометрических, термопар и т. п.

Система, предназначенная для работы с потенциомегрически-ш датчиками, имеет простейиу» структуру. Она состоит из ком-

кутатора, буферного гаскада, АЦП, Ологл индикации и блока управления и связи с ЗШ [481. В системе использован коммутатор на полевых транзисторах с р-п затвором Для того, чтобы исключать погрешность, вызываемую изшненк:«ш конечного сопротивления ключа ¡соммутатора в состоянии "замкнуто", коммутатор снаб-кеп высокоомным буферным каскадом с плавающим питанием, имеющим погрешность коэффициента передачи в диапазоне входных сигналов от" 0 до 8 В - 0,0025%.

ЦАП АЦП построен по схеме суммирования взвешенных резисторами токов с ключами на диодах. Для компенсации погрешностей, вызываемых изменением падения напряжения на диоде, в

г

' цепь опорного напряжения ЦАП вовчен компенсирующий диод. Компаратор был выполнен на первой отечественной интегральной микросхеме дифференциального усилителя. В качестве опорного напряжения АЦП предусмотрена использование напряжения батареи, питающей датчики. Елок индикации осуществляет вывод на табло результата измерения (в вольтах или процентах) и номера канала в десятичном коде. Коммутация каналов и запуск системы осуществляется по командам управляющей ЭВМ "Днепр".

Зга система сбора данных имеет следующие характеристики: число канатов - 63; число разрядов АЦП - И; диапазон измерения 0-6 В, время преобразования 50 икс, погрешность измерения 0,05£ Цх+-3 м& Система длительное время находилась в зксплуа-тащш.а ее узлы стати прототипом других устройств. Применение этой системы для регистрации данных при испытаниях сложных объектов впервые позволило исключить использование шлейфных осциллографов.

Следующий комплекс предназначен для работы с датчиками типа термопар при обеспечении повышенной скорости измерений С 49, 50] и отличается применением коммутатора напряжений низкого уровня на ЮП-транзисторах. В тех случаях, когда быстродействие обычно применяемых АЦП двухтактного интегрирования, обладающих хорошей помехозащищенностью, недостаточно, приходится прибегать к использованию АЦП поразрядного уравновешивания, а помехоустойчивость обеспечивать за счет гальванического и. разделения цепей датчика и АЦП. Коммутатор выполнен по принципу "емкостного трансформатора". Нагрузкой коммутатора является

вход усилителя - преобразователя, преобразующего входное напряжение низкого уровня в ток. Коррекция дрейфа осуществляется в аналоговом виде путем включения контрольного канала коммутатора Управление системой в рабочем режиме осуществляется от ЭВМ "Электронлка-100".

Основные характеристики комплекса: диапазон входных сигналов +50 мВ, число каналов - 32, максимальная частота опроса каналов - 1 кГц; коэффициент подавления помехи общего вида порядка 100 дБ, погрешность измерения - 0,02Z Ux +1,5 кванта

2. G. Р.. КЛ.Ш1С-кс)зШгй1сс автазшиацш! о:гспер;-.*,-о;гга. Один из наиболее перспективных путей автоматизации научных исследований - использование унифицированных програь&шо-управляемых ма-гистрально-модульных систем сбора и обработки данных, в которых обеспечивается конструкторская, электрическая и логическая совместимость узлов этих систем. Построение подобных измерительных систем удобно осуществлять в соответствии с хорош разработанным и достаточно широко распространенным при проведении сло;шых научных экспериментов стандартом КАНАК. Одновременно с освоением этого стандарта на основе ранее проведенных разработок был создан КАЫАК-кошлекс автоматизации экспериментов с модным технологическим лазером, обеспечивающих измерение и ввод в ЭШ инженерных параметров исследуемых процессов [513.

В состав систеш входят следущие модули. Ш>дуль котута-торв надряжния низкого уровня, построенным по схеме "емкостного трансформатора". Коэффициент передачи - 200. Время обращения к каналу - 120 мкс. Шдуль юшутатора напряжения стандартного уровня осуществляет точную коммутацию напряжений по 32 каналам. Время установления в канале - 3 мкс. Модуль АЦП предназначен для аналого-цифрового преобразования со средней точностью -0,17. и быстродействием - 25 мкс. В состав системы тага® входит шдуль с наВороы УВЛ, который решает новые валные задачи: измерение форш одиночных импульсов и одновременное измерение мгновенных значений сигналов в нескольких каналах. Набор содержит 16 одинаковых УЕХ и регистр сдвига, который управляет режимами работы УВХ. Шдуль подключается к АЦП через коммутатор. Погрешность УВХ - 0,1%, скорость сдейения - 1,5 В/juc, Шдуль ЦАП предназначен для генерирования сигналов, слу-

кщих для проверю! (по командам ЗВМ) линий связи, коммутаторов, АЦП и УВХ.

Все модули спроектированы для уровня входного сигнала +5В. Во всех модулях использовалась унифицированная интерфейсная плата к магистра®! КАМАК. Сбщее число каналов в системе, находившейся длительнее время в эксплуатации, - 1000. Разработанные аналоговые модули были использованы в качестве базовых при создании типовых систем автоматизации.

2. 8.3. ¡Зкятекс сбора ддегааг • с йотгхзй рагропак^й сиссо&гзстап. Задачи цифровой обработки сигналов с динамическим диапазоном порядка 120 дБ требуют создания аналого-цифровых устройств ввода данных в ЭВМ с числом разрядов 20 и более. Например, для цифровой фильтрации^ сигналов сейсмических датчиков необходимо на вход цифрового фильтра подавать цифровые отсчеты, у которых отдельные спектральные компоненты сигнала отличается по амплитудам в 103 раз и калдая нз них имеет диапазон 103. Распространенный прием расширения динамического диапазона с пошздью усилителя с переменным коэффициентом усиления не позволяет получить информацию о' "тонкой" структуре входного сигнала При такой большой разрядности измерителя возникают и заметные трудности в обеспечении малых динамических погрешностей. В комплексе использованы УВХ и двадцатиразрядный АЦП, описанные в предыдущих разделах [19,46]. Диапазон частот входного сигнала - 0;01 - 10 Гц; комплекс рассчитан на работу в диапазоне температур (-20 - +50)° С и 10 тыс. часов без обслуживания. Все блога системы размещены в прейте ИШАК, который связан с ЭВМ "Злектроника-60" посредством разработанного крейт-контроллера. ЗВМ осуществляет управление всеми узла;,«I устройства н выполняет необходимые вычисления. Комплекс был передана з опытную эксплуатацию.

2.6.4 Есзкзясы рогкзтраЕ?21 евдякрзхяих Скярспрахеяал-'/гл пгс^оесоз. При автоматизации большого числа физико-технических исследований возникает необходимость в регистрации и вводе в ЗВМ бкстропрогекасщцх однократных процессов. Один из первых комплексов, сконструированных для решения этой широко-распрсстракенной задачи был предназначен для автоматизации исследований на установках Токамак-4. Этот комплекс содержит

блок УВХ, коь:ыутатор (со своим блохой управления), АЦП, блок упаковки данных, коЗУ (оперативное запоминающее устройство на магнитных сердечниках), блок управления системой., а также монитор для визуализация дачных [523. Блок упаковки системы осуществляет согласование форматов 36-рззрядного слова ШЗУ и девятиразрядного слова АЦП. Результаты измерений поочередно записываются в блок упаковгл, содержащий две группы регистров. Время, необходимое для записи содержимого одной группы регистров в ШЗУ,' равно времени записи четырех отсчетов АЦП в другую группу регистров, что позволяет осукествлять запись данных в ШЗУ без потерь времени. Блок визуализации на ЭЛТ позволяет наблздать два записанных в ЮЗУ процесса в любой паре каналов (причем один может быть экспериментально измеренным, а другой - вычисленным с поморья ЭВМ и снова занесенным в ЮЗУ).

В комплексе использованы замкнутые УВХ со старостью заряда 20 В/мкс. Коммутатор основан ка предварительном преобразовании "напряжение-ток" к последующей кокыутации токов дкодкжи переключателями я шэет ясоциальный шсптаб преобразована

1 ыА/В. Измерительная цепь АЦП поразрядного уразковешивания,выполненного на дискретных ¡сошонентах, основана на сравнении и кошутащм токов. Шгресзости всех 1;зк:арвтельньк узлов находятся на уровне 0,1 - 0,2 1

Основные параметры комплекса: число каналов - 16; диапазон измерения +5 В; тесло разрядов АЦП - б; вреш измерения -

2 мкс; число регистрируемых сечений (отсчетов) - 512.

Другой комплекс подобного типа [43,45,533 предназначен для -получения, запоминания, просмотра цифровых отсчетов дзух быстроменяющихся однократных процессов при проведении типового эксперимента в физических исследованиях "взрывающаяся проволочка". Регистрация процесса осуществляется путем записи отсчетов АЦП в цифровую буферную память, находящуюся в том же модуле, что и АЦП

Система [53] выполнена в стандарте КАМАК, находится на линии с ЭВЫ "Электроника-100" и организована в ветвь. Аппаратура позволяет синхронно через кавдые 25 не получать пятиразрядные коды двух процессов и запоминать их массивами по 64 слова Модуль управления осуществляет дискретизацию с частотой

ст 2,0 до 40 МГц. Накопленный массив модат быть оперативно просмотрен на разработанном устройстве визуализации на ЭЛГ. Система успешно использовалась для автоматизации экспериментов и до сих пор (развеется, после модернизаций [45], в результате которых интервал дискретизации доведен до 7,5 не,а погрешность снижзна до 1Z л объем пачяти увеличен до 123 пар отсчетов) находится в эксплуатации.

2. G. 5. bcíceetcía Msmjro-E^IjcBcro преобразования епга-чеезся езпталол. Первая система, созданная для автоматизации оптических исследований, была предназначена для быстродействующего спектрофотометра. Сяа осуществляет с помощью шалевого диссектора ЛИ-602 сбор данных об оптических спектрах с высоким быстродействием. Система [ 54] работает следующим образом: исследуемый спектр, сканируется диссектором. Шходной сигнал диссектора измеряется АДП, Результаты измерений каждого спеют-ра заносятся либо непосредственно в память ЭВМ "Электроника- 100", либо с целью уменьшения времени регистрации записываются сначала а сверхоперативное запоминайте устройство, а из него переписываются з ЗЕМ. С целью увеличения числа регистрируемых в ЭВМ спектров разработано устройство адаптивного сжатия дачных, которое обеспечивает запоминание минимального числа отсчетов,достаточного для восстановления сигнала методом линейной интерполяции с заданной погрешность» [551.

Для отклонения луча в диссекторе используется высоковольтный ПАП [56], что позволит осуществлять произвольную выборку линий. Пар?4езиое ступенчатое напряжение +600 В, необходимое для управления диссектором, образуется с помощью низковольтного ЦДЛ и двух вьеоковольтных операционных усилителей.

Основные параметры ко!.шлекса: время преобразования восьмиразрядного АЦП поразрядного совпадения - 0,4 икс (УВХ двухтактное) , погрешность измерения интенсивности - 1Z; число линий спектра и объем СОЗУ - 128; число спектров, регистрируемых в ЭВМ, - около 30.

Для многих физических исследований необходимо регистрировать оптические изображения малой интенсивности и длительности (например, спектры). Для згой цели был создал комплекс на основе специализированной телевизионной камеры на суперзидкко-

не ЛИ-702. Данные с АЦП, кодирующего выходной сигнал камеры, записываются в релиме прямого доступа непосредственно з память ЭШ "Электроника-50", осуществляющей управление скстеыой к обработку получаемых данных [57,58]. Двенадцатиразрядный АЦП основан не. параллельно-последовательной двухступенчатой структуре и реализован на двух'иэстиразрядных серийных микросхемах параллельных АЦП Эти микроэлектронные АЦП снаб;:;екы цепями амплитудной свертки (выпрямителям) с добавочны*® компараторами, так что на каждом такте определяется семь бит кода За счет двухкратного перекрытия диапазона на втором такте с болышм запасом исправляется ошибка первого такта Время преобразования АЦП составляло - 2 икс.

Применение подобной скстеыы существенно расширяет динамический диапазон накопления слабых изображений ко сравнению с фотографическим способом - накопление возможно и целесообразно вести не только на шпени, но и в памяти ЗЕМ. Для регистрация двукеряых изображений описанная вкшэ система была модернизирована - в нее была добавлена пшйять кадра кзобра-зэния, а для преобразовании использован более быстродействующий восьмиразрядный шкрозлектрошшй АЦП [59]. Тщательные исследования

систеш показали,что ее предельная чувствительность к светово-

—ii

му потоку составляет около 10 Вт/см. Сбе эти систеш регистрации слабых изображений были переданы в опытную эксплуатации.

Для репенля широкого класса задач^ связанных с изучением динамики" реальных сцен (выделение двшузцихся объектов, обнаружение изменений в геометрик, текстуре изображений и т. п. ), была разработана специализированный цифровой видеокомплекс реального времени, осуществляющей оперативную регистрацию, обработку и отображение информации С60]. Комплекс содержит стандартную телевизионную камеру, быстродействующий восьмиразрядный АЦП (с амплитудной сверткой), процессор поточечной обработки с блоком нелинейного преобразования интенсивности, цкф-ровое ЗУ, цифровой {мультиплексор и телевизионный монитор. Она собрана в стойке КАНАК и состоит из двух крейтов. Ввод данных и поточечная обработка (накопление, вычитание, нелинейное табличное преобразование) осуществляются в стандартном телевизионном темпе. Число накапливаемых кадров - 255. Размер кадра

512x512 байт. Обмен данными мекду АЦП и модулями памяти происходит по восьми шинам R и У крейта аппаратко в теше 10 МГц. Управляющая информация передается по остальным шинам ввода/вывода в обычном режиме.

Управление комплексом (в том числе и изменение его конфигурации с помощью мультиплексора) выполняется от 3B1L Видеокомплекс прошел опытную эксплуатацию. С ее.помощью, проведены эксперименты по накоплению и выделению объектов при астрофизических исследованиях (совместно со Специальной астрофизической обсерваторией АБ СССР) [613. Комплекс послудил прототипом для последующих разработок.

■ 2.6.6. Шзшиекс сбора для cs-tnro зксперкиэтаа.

Для целей сбора и предобработки данных в гидрофизическом эксперименте был разработан гибкий, управляемый от ЭВМ, малогабаритный комплекс, осуществляющий параллельное вычисление пространственных характеристик сигналов (на основе метода временных задержк), а такяэ гетеродинирование и фильтрацию сигналов (на основе НИХ-фильтров) с одновременным уменьшением потока' данных генерируемого в комплексе, передаваемого в мощную ЭВМ для основного анализа С 523.

Комплекс содержит на входе аналоговый коммутатор (на 120 каналов), который последовательно подключает выходы ангизлай-зинговьк фильтров датчиков к входу масштабного усилителя, а с него на АЦП. Частота выдачи кодов восьмиразрядного АЦП -500 кГц. Оцифрованные значения сигналов с выхода АЦП поступают на перемнолигель,служащий для нормировки сигналов в разных каналах. С его помощью могут быть реализованы и пространственные корректирующие окна (например, Хешинга). Данные с выхода перемножителя направляются в специализированные устройства цифровой обработки системы, вычисляющие пеленги по определенным направлениям за счет временной задержки отсчетов. Результаты вычислений накапливаются и разравниваются в буфере данных.

Управление работой комплекса, осуществляются от 3£i5 "Злектроника-60". Комплекс выполнен в стандарте Q-bus на трех двойных платах. Испытания созданного программно-управляемого комплекса в полевых условиях с реальными сигналами показали ее соответствие поставленным требованиям при обеспечении малых габаритно-весовых показателей.

- 38 - -

2.6.7. Ес^эояг сбзрз. к еЗг^зкс: с»2

Б настоящее время шрокое распространение пояучазг ци: роЕыо осциллограф, иепожьвуеюие для исследования как одно; ратных, гак'и иерюдсчеекцх процессов. Гак правую, такие ит-г ровые сюцкллсграфы скаЗ»»кы внутренними иди вкеааиши моекь: вычислительные: устройствами , поэволк»;цг5Ш производить досгс точно скэкнув обработку (е ток числе и статистическую). Шгл считать, что современная цифррвой осциллограф ф-жтичее; представляет собой спещш'.!зкрованн1й измерительно-вычиагп тельный комплекс регистрации к обработки скп&язб.

В связи с кеобходкгхззтья репзнкя ряда Базеьс; задач р; гиотраща; I! статистической обработки дароконашсилг сигналов реально:,: времени была осуществлена разработка такого и&кгр! гельЕО-вычислительного комплекса - цифрового осциллографа ( такжз программного обеспечен»; для него). Сехщллограф предка; начец для регистрации как однократных процессов,та;: период; ческам процессов ъ строОостпкческоь: ре;:иш-э. Иришневие ци-йх обработки дает осциллографу новые, ранее недоступнее ео; мо мости [633.

Егадаой блок уегшиелеЕ (с полосой пропускания бог:-250 КГц) обеспечиваот изучение тонкой структуры исследуею; сигнала путем его усиления вылетающим усилителем (К 30) с 5-1 разляеши пьедесталом ("лупа ашшгауди"). Квант многоразрядш го ЦАП, задакх^зго напря;,зния пьедестала, равен 1 мВ. Преобр; зованиз данных в цифровую форму осуществляется при помощи ч; тьфех шестиразрядных АЦП [173. Значение динамического диапаз< на измерителя, содержащего усилитель с управляемым пьедестал: и АЦП, составляет 60 дБ. Приведенное к входу значение квак' АЦП составляет около 1 Общая для всех АЦП задеркка стробс относительно опорного тактового импульса (с сагом - 1 не) интервал ыежду стробами запуска АЦП (с шагом - 1 не) устаназ ливаегся программно. Среднеквадратичное значение шума (кеопр; деланности) задержки импульсов запуска - 70 пс. Ыаксимальнг частота запуска - 75 МГц.

Спецпроцессор содержи четыре накопителя, которые подсч! тываат в реальном времен:.; суь&ы отсчетов АЦП, и добаво'

аьй пятый ¡{акошпгель для счета числа событлЛ. Каддыа накопитель имеет 54 какала, что позволяет раздельно накапливать условные средние 64 различных типов сигнала Ряды условий (типов сигнала) сопровождают входной сигнал и поступают извне.

Ксшлего выполнен в конструктиве Связь крейта VK-E с

компьютером осуществляется при помощи адаптера PC-Vi-E. S процессе разработки архитектуры большое внимане было уделено минимизации времени, затрачиваемого на выполнение операций типа измерение-оценка-коррекгировка параметров. В результате перенастройка параметров комплекса при смене рекима работы полностью автоматизирована и занимает не более 10 с.

Программное обеспечение комплекса построено в виде системы зложенных меню (Pop-up bfenus). Оно позволяет производить тестирование оборудования,' его настройку, а тагада сбор, обработку дашлдх и визуализацию результатов в многоцветном графическом виде. Интегрированная среда позволяет пользователю выполнить все интересутшгке его команды операционной системы (просмотр каталога, удаление старых файлов данных и др.). Обработка данних и визуализация различных статистик производится квазиодновремешю с накоплением, то есть фактически в рамках DOS реализован двухзадачнкй ре;шм работы. Для ускорения записи регистрируем« данных на винчестер используется кеш-буфер, организованный на виртуальном диске.

Созданный измерительно-вычислительный комплекс (цифровой осциллограф), обладает следующий! параметрами: в режиме регистрации однократных процессов частота дискретизации 1 кГц -250 МГц; в стробоскопическом режиме регистрации периодических процессов эквивалентная частота дискретизации 1,5 кГц - 1 ГГц, максимальная частота строб-импульсов внешней синхронизации 75 МГц. Глазное структурное отличие разработанного осциллографа - наличие аппаратного спецпроцессора, дающего возможность обрабатывать выборки большого объема в реальном времени.

2.6.8. Помимо описанного выш», был pas работа» и изготовлен ряд других аналоговых и цифровых устройств, необходимых для создания высокопроизводительных комплексов аналого-цифрового преобразования. Созданы и исследованы различные коммутаторы датчиков, цифро-аналоговые преобразователи, ко;,тараторы,

расширители каносекундных импульсов, преобразователи "ток-частота" и другие элементы. Большое внимание при проведении этих исследований уделено изучению принципов построения устройств при использования в них токового сигнала, что позволило существенно повысить быстродействие как этих. устройств, так и комплексов в целоу.

Использование новых принципов построения подобных устройств позволило получить высокие показатели разработанных комплексов, соответствующих современному уровню информационно-измерительной техники. '

Основные результаты проведенных исследований и разработок высокопроизводительных комплексов аналого-цифрового преобразования сводится к следующему:

1. Проанализирована методическая динамическая погрешность АЦП поразрядного уравновешивания, возникающая за счет изменения измеряемой величины за время измерения. Выяснены закономерности образования этой погрешности.

2. Дана оценка уменьшения погрешности квантования при осреднении сьзси постоянного сигнала и шума в присутствии гармонических помех.

3. Предлохвка и исследована структура двухканальных двоичных АЩ1 с избыточностью, в которой исправляются погрешности, вызываемые помехам.

4. Исследованы последовательно-параллельные и конвейерные структуры АЦП Предложены новые технические решения таких АЦП и их основных элементов.

5. Изучены факторы, определяющие предельные возможности АДЕ Показано, что АЦП предельной разрядности высокого быстродействия целесообразно строить по последовательно-параллельной схеме, а для исправления погрешностей разрядоз ЦАП, на которых строится АЦП, использовать коррекцию. Созданы действующие образцы двадцатиразрядных АЦП с временем измерения порядка 1 ыс.

6. Исследован и реализован ряд быстродействующих АЦП со сверткой амплитудной характеристики. Установлена связь пре-

дельной частоты преобразуемого сигнала с числом изломов характеристикой постоянной времени устройства, осуществляющего свертку. В действующих образцах АЦП со сверткой достигнута частота дискретизации 130 МГц для сигналов в полосе 7 МГц с погрешностью порядка 1%.

7. Исследована работа устройства выборки и хранения сигнала (УБХ). Проанализированы главные составляющие погрешности УВХ - погрешность недозаряда и апертурная погрешность. Разработан ряд УВХ разомкнутого типа, обеспечиваю®«: время выборки порядка 5 не.

8. Разработана методика и установка для провер:ш динамических погрешностей АЦП в широком диапазоне частот, основанная на определении частоты входного сигнала, на которой возникают динамические ошибки, превышающие размер кванта.

9. Впервые в отечественной практике разработаны и внедрены регистраторы однократных' быстропротекающях процессов (цифровые осциллографы) на основе объединения широкополосных микроэлектронных АЦП и цифровой памяти. Одна из последних модификаций многоканального семиразрядного регистратора обеспечивает в каздои канале кодирование и запоминание отсчетов сигналов с частотой дискретизации 75 МГц, объемом в 2К, имеет 5,6 эффективных разрядов в полосе частот до 75 МГц.

10. Разработано и введено в эксплуатацию - автоматизированное рабочее место исследователя (АРВД, осуществляющее сбор и обработку широкополосных сигналов в реальном времени в полосе частот свыше 250 МГц, с интервалом дискретизации до 4 не.

11. Созданы основы построения высокопроизводительных комплексов аналого-цифрового преобразования (архитектуры и технические решения). На этой базе создано более десяти высокопроизводительных комплексов, которые использованы в системах автоматизации научно-технических исследований в различных отраслях nayici: и техники. Комплексы выполнены в современных стандартах КАМАК и УЖ,

Г 4

Литература

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Касперович А. HL , Корчагин А. Е , Патерикин А. II Помехоустойчивый цифровой милливольтметр с цифровой обработкой данных: конф. по автоматическому контролю и методам электрических измерений. Тез. докл. - Новосибирск, 1965. - с. 39.

2. Касперович А. К., Корчагин И. Я. О характеристиках погрешности квантования по уровню суммы постоянного сигнала и нормального шума с малой дисперсией. - Автометрия. -1966. - N 6. -3-10 с.

3. А. с. 188578 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь постоянного напряжен®} / А. Е Касперович, И, Я. Корчагин. - Опубл. в E l ,1965, N 22.

4. Касперович А. 3L , Корчагин И. Я.. Анализ погрешности обработки результатов измерений цифровым прибором, проводимой для ослабления' влияния периодических помех. В сб. "Автоматический контроль и методы электрических измерений". Труды УШ Всесоюзной конференции, , г. 1, Новосибирск. - "Наука". -1971.-161-169 с.

5. Выахин R Н , Касперович А. Е , Литвинов HR. Об отб-fcax квантования АЦП с цифровой коррекцией дрейфа.- Автометрия.- 1959.-N 5.- 97-101 с.

6. Ефимов R Ы. , Касперович А. Е, Литвинов Е В.. Статистические характеристики ошибки АЦП с цифровой коррекцией дрейфа: В сб. статей. "Проблемы создания преобразователей формы информации". Киев.: 1970. - 48-54. с.

7. Касперович А. Е , Литвинов ER. К анализу динамических ошибок, возникающие при измерении цифровыми измерительными приборами поразрядного уравновешивания. - Автометрия. - 1966. -N 6.- 50-55.

8. Касперович А. Е , Литвинов HR. К вопросу о динамической ошибке цифрового прибора поразрядного уравновешивания.-Автометрия. - 1967. - N 2. - 54-60 с.

9. Алексеев R А., Касперович А. Е , Литвинов Е R . Динамическая погрешность аналого-цифрового преобразователя с устройством фиксации уровня измеряемого напряжения. - Автометрия. -1966. - К 5. - 107-111.

10. Касперович А. Е , Литвинов ER К вопросу о погрешности устройств выборки и запоминания. Автометрия. - 1971.- N 5. - 112-114 с.

11. Касперович А. Е , Литвинов ER. О целесообразности-использования двухтактных устройств выборки и хранения. - Автометрия. - 1973. - N а -98-104 с.

12. Диковский Я М. .Касперович А. Е. Литвинов Н R . О возможности использования катушек индуктивности в качестве запоминающего элемента устройств выборки и хранения аналоговых сигналов. В сб.: "Измерительные информационные системы". Новосибирск, НЭТИ,НГУ, 1977, 96-108 с.

13. Касперович А.Е 0 динамике устройств интегральной выборки. - Автометрия. - 1980. - N 5. - 83-85 с.

14. Ведерникова Г. А , Касперович А. Е Устройство выборки и хранения ординат высокочастотного сигнала. Автометрия. -1971.- N 3. - 47-51 с.

15. Беломестных К А., Касперович А. Е , Литвинов Н К Элементы устройства выборки и хранения для ;юнвейериого АЩ-Автометрия. - 1975.- N 1.- 115-117 с.

16. Касперович А. а , Шалагинов Ю. В.. Широкополосный одноплатный АЦП. - Автометрия. - 1984. - N 5. - 108-111 с.

17. Касперович А. Е ,Шалагинов ЕЕ Двухканальный регистратор широкополосных сигналов. - Автометрия.-1990. - N 6.-77-81 с. 18. Широкополосный аналога- цифровой преобразователь. -А. С. Ефремов, А. Н. Касперович, Е а Литвинов, Ю. Е Шалагинов. - Автометрия. - 1981,- N6.- с. 58-65.

19. Двадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь. -а А. Беломестных, аЕВьюхин, А. И. Ефремов, А. Е Касперович, А. Е. Ковалев, а И. Прокопенко. - Автометрия. - 1985.- N 5.- с. 12-18.

20 . Беломестных а А. , Выохин Н Е , Касперович А. Е Об одном способе экспериментального определения динамических свойств быстродействующих АЦЕ - Автометрия. - 1976. - М 5. -83-87 с.

21. Арефьев А. А. , Карпюк Б. а , Касперович А.Е , Цапенко М. Е. Цифровой электронный многоточечный милливольтметр // Груды конференции по автоматическому контролю" и методам электрических измерений (1959). Новосибирск, изд-во 00 АН СССР,1961, 273-282 с.

22. Арефьев А. А. , Карпюк Б. а , Касперович А. Е , Твердох-леб Е Б., Цапенко К П.. Цифровая аппаратура для многоточечных измерений// Труды конференции по автоматическому контролю и методам электрических измерений. 1960. Новосибирск, изд-во СО АН СССР, 1962, с. 282-286.

23. Электрические методы автоматического контроля/ Каран-деев К а , Карпюк а а , Касперович А. Е и др. - М,: Энергия, 1965.- 384 с.

24. Касперович А. Е , Клисторин К Ф., Цапенко Ы. П.. Автоматические цифровые электроизмерительные приборы. - Автометрия. - 1965. - N 1. -35-44 с.

25. Касперович А. Е , Матушкин Г. Г.. Классификация методов аналого-цифрового преобразования. - В сб.: "Аналого-цифровые преобразователи (принципы и элементы)", Новосибирск, 1971, с. 3-21.

26. Касперович А. Е , Клисторин 11 Ф.. Цифровые измерительные устройства и системы сбора данных. - а сб.: Тез. докл. Международная конф. "Электронные измерительные приборы и системы". Брно, 1971.

27. А:с. 173843 (СССР). Цифровой измерительный прибор /А. Е Касперович, М. Е Цапенко. - Опубл. в Б. К , 1964, N 7. ■

28. О построении цифровых измерительных приборов уравновешивания с переменной структурой/ Е И. Гореликов, А. Е Касперович, И. И. Коршевер, Ж П. Цапенко. Автометрия. - 1965. - N 4. -75-80 с.

29. А. с. N 190073 (СССР). Аналого-цифровой преобразователь /а А. Алексеев, А. Н Касперович. Опубл. в ЕЕ, 1967, N 1.

30. Беломестных а А. , Касперович А. Е . Быстродействующий асинхронный аналого-цифровой преобразователь с набором пороговых элементов.- Автометрия. -1Й70. - N 2.53-58 с.

31. А. с. N 254223 (СССР). Преобразователь "напряжение-код" /аЕВьюхин, А. Е Касперович. - Опубл. в ЕЙ., 1969, N 31.

32. А-С.Ы 209085 (СССР). Преобразователь "напряжение-код"/ А. Е Касперович, Е И. Патерикин, Е Е. Гвердохлеб. Опубл. в Б. Я , 1968, N 4.

33. А. с. N 191223 (СССР). Способ уравновешивания напряжений в двухканальных аналого-цифровых преобразователях/

- 44 -

Е Б. Карпюк, А. Н. Касперович. - Опубл. в Б. IL ,1976, N 3.

34. A.c. N 191233 (ССССР).Двухканальный аналого-цифровой преобразователь/ R А. Алексеев, Б. В. Карпюк, А. Н. Касперович. Опубл: вБ.1, 1967, N 3.

35. Алексеев В. А.. Карпвк Б. R , Касперович А. Е . Помехоустойчивый двухканальный аналога-цкфоовой преобразователь. В сб.: "Аналого-цифровые преобразователи (принципы построения и элементы)", Новосибирск, 1971, с. 85-94.

36. Касперович А. Н. , Шалагинов Ю. В.. Быстродействующий следящий' АЦП с линийной экстраполяцией для системы адаптивного сжатия данных. В сб. : Тез. докл. П Респубд. научно-техническая конф. "Электронные измерительные приборы и системы с коымуга-шюнно-модуляционными 'преобразователями". Львов, 1S71. с. 100-102.

37. Касперович A. H., Шлагинов Ю. R . Об одном принципе построения быстродеЁсгвузжзэй система аналого-цифрового преобразования с адаптивной дискретизацией . - Автометрия. - 1972.-К 2.-10-17 с.

38. Беломестных R А., Касперович A. R . Аналого-цифровой преобоазователь повышенного быстродействия. - Автометрия. -1973. - N 3. - 104-109.

39. Конвейерный аналого-цифровой преобразователь. R А. Беломестных, R Е Вьюхин, А. Е Касперович, Е R Литвинов, В. И. Соло-ненко. - Автоштрия. - 1975.-N 1. - с. 57-64.

40. Беломестных В. д. , Касперович A. R , Солонекко R И. Компараторы на основе триггера-защелки. - Автометрия. - 1975. -N 1.- 86-92 с.

41. Касперович А. Е., Шалагинов O.A. Быстродействующий корректирующийся параллельно-последовательный АЦП с запоминанием сигнала линией задержки. - Автометрия. - 1975. - N 4. -61-67 с.

42. Касперович А. Е, Кубыикин А. П. , Шалагинов Ю. R Широкополосный цифровой регистратор с перестраиваемой структурой. -В сб. : Тез. докл. "Автоматизация научных исследований". Новосибирск, 1985, с. 134-135.

43. Касперович А. Б. ; Иантуш О. И., 1Еалагинов Ю. R Скоростной цифровой осциллограф в стандарте VK-E . - В сб. : Мэждунар. раб. еавег^ Системы VKE bus в физическом эксперименте и промышленности. Новосибирск, 1991, с. 36-37.

44. Касперович А. Е , Шалагинов Kl R Некоторые вопросы проектирования АЦП с использованием амплитудной свертки сигналов. - Автометрия. - 1978.- N 4. - 50-58 с.

45. Касперович А. Е , Мангуи О. Ü , Шалагинов Ю. R Двухканаль-ная система аналого-цифрового преобразования и регистрации сигналов микросекукдной длительности. - "Приборы и техника эксперимента". - 1980. - N 1. - 98-101 с. .

46. Вьвхин R Е , Касперович А. Е Вопросы проектирования аналого-цифровых преобразователей предельной разрядности. - Автометрия. - 1985. - N 5. - 3-12 с.

47. Регистрация однократных электрических процессов в полосе частот 1 ГГц. - А. Е Касперович, Ю. Е. Вестерихин,. Э. Р.Сабир-жанов, 3. А. Фомин. - Автометрия,- 1988.- N 2. - с. 88-90.

48. Беломестных R А., Вьюхин R Е , Касперович А. Е , Попов Ю. А., Прокопенко В. И. , Солоненко R И.. Многоточечная измерительная система с коммутатором на полевых транзисторах. - Автометрия. - 1970.- M 2.-37-46 с.

49. Касперович А. Е , Попов Ю. А. Входные цепи многоточечного АЦП низкого уровня. В кн. : Тез. докл. П Республ. научно-техническая конф. "Электронные измерительные приборы и системы с коммутационно-модуляционными преобразователями". Львов, 1971, с. 81-83.

- 45 -

50. Иаслерович А. 11, Попов !0. А., "псготочечный АЦП с коммутатором н5пря:;аэн1,и низкого уровня на КОП-транзисторах. - В ей.: Материалы семгшаоа. "Коммутация и преобразователи мздых сигналов". Л.: ДЩП'П, 1972.

51. Крейт измерительной системы сбора данных в стандарте КАМАК - А. Е Касперовчч, Н. R Литвинов, В- II Прскогтэшсо, R 11 Со-лонекко, RA. Слуев. - Автометрия. - 1976.- N 1.-е. 7-10.

52. ¡'моготочечлая бьетродсйзтвузсак'я цифровая система сбора и храления данных/ RA. Алексеев, R А. Велжестнш, КЕйв-хли, »i. Н. Касперович, Ю. А. Попов, • В. JL Солоненко. - Автометрия. -1971, N 4.с. 40-50

53. Касперович А. Е . Улнтуя 0. Ы., Шалагинов Ю. R Двухка-наяьная система сбора и регистрации данных для быстролротека:о-щих экспериментов.- "Приборы л техника эксперимента". - 19??.-N 4. - 86-88 с.

54. Быстродействующая система ввода в ЭВМ одномерных оптических изображений. RA. Алексеев, В. А. Беломестных, R Н. Вь-вхин, R К. Прокопенко, А. Н. Касперович, Е R Литвинов, R К Соло-ненко, Ю. В. Шалагинов, R П. Юаоиев. - Автометрия. - 1974. - N 3. -с. 22-28.

55. Касперович A. R , Шалагинов Ю. В. Быстродействующее устройство сжатия цифровых данных на осноге линейной экстоаполя-ции. - Автометрия. - 1974. - N 3. -28-3-1.

56. Касперович А. Н. , Солоненко R И. Высоковольтный транзисторный цифроаналоговый преобразователь. - Автометрия. - 1973. N 6. - 85-38 с.

57. Бондаренко Ю.В., Будцев Е Я.,Касперович А. а Система дм регистрации и ввода в ЭВМ одномерных изображений быстро-протекающих и слзбосвегяшихся процессов. - Автометрия. - 1983. -N 4. - 3-7 с.

58. Автоматизированный многоканальный регистратор оптических спектров. - Ю. R Бондаренко, R Я. Будцев, А. Е Касперович, R К Прокопенко. - Автометрия- 1987.- N 3.- с. 57-63.

59. Вондаренко Ю. В., Будцев R Я. , Касперович А. Е Исследование высокочувствительной системы оегистрации двумерных изоб-ралазний на основе сулервидикона ЛИ-702. - Алтометоия. - 1988. -N 2.- 20-26 с.

60. Цифровая телевизионная видео- система. - RA. Беломестных, А. К ?1асперович, Ю. А. Попов, R Р. Сутягин, iOt R Шалагинов, R IL Юношев. - Автометрия. - 1984. - N 5. - с. 47-51.

61. Цифровая система накопления и обработки телевизионных изобра-езний в цифровой форме для астрофизических исследований. - О R Ваяега, А. К Касперович, Ю. А. Попов, Е Е Сомов, А. Ф. Фоменко. - Автометрия,- 1980,- N3,- с. 61-66.

62. Цифровая система сбора и предобработки гидрофизической информации. - R А. Беломестных, ЕЕВыохин, А. Е Касперович, ¡Q А. Попов, R Г. Сутягин, !0 В. Шалагинов. - Автометрия. -1986,- Н 5. с. 3-8.

63. Цифровой осциллограф - измерительно-вычислительный комплекс для регистрации и обработки широкополосных сигналов. -В. R Бачурин, A. 1Ü Булгаков, R Е Вьюхш, А. II Касперович, ¡0. А. Попов, Ю. В. Шалагинов. - Автометрия, - 1991.- N5.- с. 94-99.