Введение к работе
Актуальность работы. В современном приборостроении наряду с общеизвестным понятием "средств измерений" использовался термин "устройство специального применения" (УСП), которое применялось по отношению к изделиям МИНПРИБОРа, предназначенных для целей измерения, но не аттестованных по стандартам на средства измерений. Среди разнообразных УСП видное место занимают прецизионные устройства преобразования информации (аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и установки для их испытаний). Именно этим УСП и уделяется основное внимание в данной работе. Заметим, что термину УСП близко понятие "иестандартизованное средство измерений", которое автором включено в понятие УСП.
Основой УСП, определяющей точностные и динамические свойства. является, как правило, прецизионный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).
Одним из основных узлов многих УСП является прецизионный цифроаналоговый преобразователь. Выпускаемые в настоящее время в России и зарубежом многоразрядные ЦАП (такие как 427ПАЗ, AD1139, DAC729) имеют высокие метрологические характеристики, однако их стабильность обеспечивается в узком диапазоне изменений температуры и других влияющих величин. Этот недостаток может быть частично vci ранен, если использовать коррекцию погрешности.
Но мношх случаях влияющая величина, а следоіиііелі.ііо и погрешность изменяются медленно, поэтому потеря нескольких десятком миллисекунд, затрачиваемых па коррекцию функции преобразования, на фоне непрерывной работы в течение нескольких часов оказывается несущественной. Однако встречаются задачи, где информация должна поступать непрерывно. Еще более существенным може і окнкпмя случаи, когда влияющие величины (а следовательно и погрешность) изменяются очень быстро (локальные перегревы, шум и синимого типа и і.д.). В 'ним случае момент выбора ипгерилпа коррекции может оказаться неизвестным, а для надежности придется проводить коррекцию очень часто, что может существенно спиши, быстродействие.
Таким образом, актуальными являются задачи построения ЦАП, которые имели бы высокие метрологические характеристики в широком ісмпературном диапазоне и не требовали бы коррекции.
Поставленным задачам наиболее полно отвечает принцип коммутационного инвертирования. Применительно к ЦАП этот принцип был использован в активных делителях тока, где информативным параметром является полусумма выходных сигналов на двух тактах коммутационного инвертирования. Целый ряд вопросов, связанный с использованием этого принципа, не был освещен в лни-рагурс. Например, не развита ироПлсма получения па основе принципа коммутационного инвертирования большого числа разрядом цифроаналогового преобразователя. Неисследованным является вопрос применения малоразрядных ЦАП в составе калибраторов с повышенным быезродейегнием. При серийном выпуске малоразрядных нысоколинейиых ЦАІ1 возникает проблема определения дифференциальной линейности из-за большого значения единицы младшею разряда.
Научные и практические результаты диссертационной работы получены при выполнении хоздоїопорных рабої, проводимых по заказу ПИ НЭП (і.Санкт-Петербург). СКВ МП (г.Лышв). ПО "Микроирибор" . (і Льнов), ПО "()')М')" (г.Омск)..
Цель работы состоит в создании устройств специальною применения, имеющих повышенное быстродействие - при сохранении точности на уровне мировых образцов, а также обеспечивающих высокие метрологичесие характеристики в широком диапазоне изменений температур и других влияющих величин, в том числе при их быстром изменении.
Основными задачами исследования являются:
-
Анализ . точности характеристик малоразрядного ЦАП, построенного на основе активных делителей тока.
-
Разработка структур многоразрядных ЦАП на базе малоразрядных ЦАП, построенных на активных делителях тока .
-
Разработка методов повышения быстродействия прецизионных ЦАП.
-
Разработка структур УСП на основе ЦАП с, использованием метода коммутационного инвертирования.
5. Развитие и анализ методик испытаний малоразрядных ЦАП.
Методы исследования. Для решения поставленных задач
применялись методы теории погрешностей, теории электрических цепей, теории вероятностей, теории автоматического управления и математического моделирования. Для проверки теоретических
положений Гнили иропедсно модслііроїшііис іііі Оаіс'ЛІМ ціпа І MM 14' с использованием различных пакетов прикладных программ.
ІіііУІШіїя ЛФЖіііа.
1. Впервые проведен анализ точностных характеристик малоразрядных ЦАП на основе активных делителей токов с использованием метода коммутационного инвертирования и выявлено, что основными источниками погрешностей дифференциальной и интегральной лннейностей являются токи утечки полевых транзисторов и конечность значения коэффициента ослабления синфазного сигнала операционных усилителей.
-
На основе малоразрядного ЦАП предложены многоразрядные структуры, которые защищены авторскими свидетельствами.
-
Для повышения быстродействия предложены схемы сумматоров многоразрядного ЦАП, отличающиеся по сравнению с известными высокой динамической точностью.
-
Разработаны пути и особенности применения малоразрядного ЦАП в устройствах специального применения, таких, как установка для испытаний АЦП, многоразрядный ЦАП в стандарте И41М, устройство ввода хроматографической информации в персональную ЭВМ.
5. Разработаны методики наладки и испытаний прецизионного
малоразрядного ЦАП, основанные по принципу дифференциального
метода измерений.
Практическая ценность:
1. Создана модель малоразрядного ЦАП на основе активных
делителей тока с использованием метода коммутационного инвертиро
вания, позволяющая оценить погрешности дифференциальной и инте
гральной линейности этого преобразователя.
2. Разработан ряд оригинальных схемотехнических решений
построения многоразрядных ЦАП на основе малоразрядиых ЦАП с
использованием метода коммутационного инвертирования.
3. Предложены пути повышения быстродейсгвия ЦАП и УСП т
основе схем с использованием составных операционных усилителей,
которые обладают лучшей динамической точностью и (или) меньшим
потреблением по сравнению с известными.
Реализация результатов работы и внедрение. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании:
прецизионного малоразрядного цифроаналогового преобразователя в гибридно-пленочном исполнении У2ПА2091, внедренного в ПО "Микроприбор" (г. Львов);
автоматизированной установки для испытаний АЦП типа 1108ПВ1 и 48ПВ01, аттестованной и внедренной в СКБ МП (г.Львов);
19-разрядного цифроаналогового преобразователя в стандарте И41М, внедренного во ВНИИЭП (г. Санкт-Петербург);
установки для функциональной подгонки и испытаний микросхем У2ПА2091(ПО "Микроприбор", г. Львов);
устройства ввода информации (4-х канальное 21-разрядное АЦП для хроматографии), внедренного в ПО "ОЭМЗ" (г. Омск).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Всесоюзной конференции "ИИС-91" (г. Санкт-Петербург ), на Всесоюзной школе-совещании "Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем и гибких производственных процессов" (г. Нальчик, 1990 год), на республиканских конференциях "Повышение быстродействия и метрологической надежности систем контроля параметров средств измерений (г. Ужгород, 1987 год), "Применение микропроцессоров в народном хозяйстве" (г. Таллин, 1988 год), "Системы контроля параметров электронных устройств и приборов" (г. Одесса, 1988 год).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из которых 4 - авторские свидетельства.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, содержит 152 страницы основного текста, 43 иллюстрации и 11 таблиц.
