Введение к работе
Актуальность работы. Постоянное расширение сферы применения интегральных цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП) для высококачественного воспроизведения сигналов, точного позиционирования, прецизионного регулирования технологических процессов и т.д. требует дальнейшего улучшения их характеристик и, прежде всего, линейности преобразования и повышения разрядности. Современные прецизионные ЦАП и АЦП с числом двоичных разрядов 16 и более характеризуются погрешностями линейности в тысячные и десятитысячные доли процента. Столь высокие результаты, граничащие с предельными возможностями современной интегральной технологии, достигаются путем совершенствования самой технологии, конструкции, схемотехники, а также путем введения структурной и временной избыточности, позволяющей компенсировать те или другие составляющие погрешности.
Параллельно с совершенствованием схемотехники и технологии ЦАП и АЦП решаются вопросы их метрологического обеспечения. Совершенствование алгоритмов и технических средств измерений параметров ЦАП и АЦП позволит повысить их эксплуатационные характеристики, снизить себестоимость продукции, увеличить производительность труда при их изготовлении. Существующая в настоящее время аппаратура для измерения параметров интегральных ЦАП и АЦП не обеспечивает производительный и достоверный контроль многоразрядных ЦАП и АЦП при минимальных затратах на его проведение.
Условием дальнейшего повышения качества ЦАП и АЦП является их более глубокое исследование, непрерывное развитие теории погрешности ЦАП и АЦП, в том числе и разработка для них адекватных моделей, а также создание методик и средств измерений параметров прецизионных ЦАП и АЦП, обеспечивающих все более.высокую точность, достоверность и производительность контроля.
Цель работы состоит в разработке и исследовании алгоритмов и аппаратуры для измерения параметров прецизионных ЦАП и АЦП, построенных на основе кодоуправляемых делителей (КУД), обеспечивающих достоверный и производительный контроль ЦАП и АЦП.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
1. Созданы математические модели ЦАП, построенных на
основе КУД в прямом и обращенном включении, с целью выяв
ления закономерностей распределения по диапазону характери
стик погрешности и использования этих закономерностей:
при определении минимального и достаточного числа точек контроля по диапазону преобразования ЦАП;
при создании алгоритмов коррекции погрешности образцовых средств измерений, обеспечивающих необходимую линейность при измерении параметров ЦАП и АЦП.
-
Синтезированы прецизионные средства измерений на основе ЦАП.
-
Разработаны и внедрены методики л автоматизированная аппаратура для измерения параметров ЦАП, АЦП и их узлов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории погрешностей, теории электрических цепей, теории матричного исчисления, теории вероятности и математической статистики. Основные теоретические результаты проверены экспериментальными исследованиями разрабатываемых устройств и путем имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Предложен новый подход, основанный на использовании метода контурных токов в матричной форме и понятия передаточной проводимости i-ro контура, позволяющий с единых позиций решать задачу построения математических моделей ЦАП, построенных на основе КУД в прямом и обращенном включении.
-
Разработаны математические модели ЦАП, построенных на основе КУД в прямом и обращенном включениях, позволяющие установить связь погрешности ЦАП с разностью остаточных сопротивлений ключей и паразитными параметрами операционного усилителя. Определена зависимость выходного (входного) сопротивления КУД при его обращенном (прямом) включении от управляющего кода.
'3. Теоретически обоснована обобщенная модель ЦАП, по-сфоенного на основе КУД, позволяющая определить минимальное и достаточное .количество точек контроля, проведя измерения в которых можно рассчитать поірешность ЦАП во всех оставшихся точках диапазона преобразования, что позволило сократить
число точек контроля П-разрядного ЦАП с (2"-1) до (п+1)п/2+1.
-
Исследованы закономерности распределения по диапазону составляющей погрешности ЦАП, обусловленной разностью остаточных сопротивлений ключей, позволившие оценить максимальный вес несуперпозшщонной составляющей в суммарной погрешности, обусловленной ути и параметром, в зависимости от числа разрядов ЦАП. Получены зависимости выходного сопротивления КУД при обращенном включении от входного кода и числа разрядов ЦАП, показывающие, что с ростом числа разрядов ЦАП увеличивается и диапазон изменения выходных сопротивлений КУД. х
-
В результате сравнительного анализа существующих методов и аппаратуры для измерения параметров ЦАП, АДП и их узлов определены перспективные направления повышения их точности и достоверности.
Практическая ценность:
-
Предложена структура прецизионного линейного ЦАП с цифровой коррекцией, даны рекомендации по формированию для него поправочных кодов и разработана методика оценки с его помощью характеристик погрешности 18, 20-разрядных ЦАП.
-
Получена оригинальная структура прецизионного ЦАП, использующего принциггы весового усреднения и разделения на токовые и потенциальные цепи, позволяющая существенно уменьшить влияние остаточных сопротивлений ]ключей на погрешность функции преобразования.
-
Разработаны две схемы цифроуправляемых имитаторов сопротивлений, построенных на основе ЦАП, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение.
-
Предложены оригинальные структуры, автоматизированной аппаратуры для измерения параметров прецизионных ЦАП, АЦП и их узлов, основанные на применении коммутационно-модуляционных методов, схем с использованием принципа разделения токовых и потенциальных цепей и статистической обработки результатов измерений
Реализация результатов работы и внедрение. В результате диссертационной работы разработаны и внедрены:
- измеритель погрешности делителей напряжения ИПДН, внедренный в КНИИЭП (г. Кишинев);
установка контроля параметров 11ЛП, внедренная в ПФ ВНИТИПрибор и в НИИЭМП (г. Пенза);
установка контроля параметров АЦП УВК.КИЦ-І-005, внедренная в НИИЭМП;
автоматизированная установка контроля статических параметров гибридных интегральных схем 18-разрядных ЦАП серии 427ПА4 АЕЯР 431200.026-03 ТУ, внедренная в НИИЭМП.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: 11 региональный семинар «Аппаратурный контроль аналого-цифровых преобразователей» (г. Горький, 1978 г.); областное совещание «Методы и средства быстродействующего аналого-цифрового преобразования» (т. Пенза, 1979 г.); республиканская конференция «Вопросы теории и проектирования преобразователей информации» (г. Киев, 1981 г.); международная конференция «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (г. Пенза, 1997 г.); семинар «Менделеевские чтения» (Пенза, 1997 г.); конференция «Состояние и проблемы технических измерений» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 1997 г.)-
Публикация. Основные положения диссертации опубликованы в 20 печатных работах, 11 из которых авторские свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 186 страницах машинописного текста, иллюстрирована 62 рисунками и 3 таблицами.
