ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШАПОШНІКОВ ОЛЕГ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 681.335

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА РОЗРОБКА ВИСОКОТОЧНИХ КОНВЕЄРНИХ АНАЛОГО-ЦИФРОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ІЗ ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Азаров Олексій Дмитрович,

Вінницький державний технічний університет,

завідувач кафедри обчислювальної техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Багацький Валентин Олексійович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу перетворювачів форми інформації

кандидат технічних наук Мичуда Леся Зиновіївна, Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, доцент кафедри автоматизації теплових та хімічних процесів

Провідна установа: Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”, кафедра автоматизації експериментальних досліджень, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 15.02.2003 р. о 13-30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.01 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

Автореферат розісланий 10.01.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Під час створення високопродуктивних систем цифрової реєстрації й обробки аналогових сигналів, систем автоматичного управління, систем аналізу параметрів відео- та аудіо-сигналів, інформаційно-вимірювальних та контрольно-діагностичних систем однією з актуальних проблем є розробка високоточних, швидкодіючих (високопродуктивних) аналого-цифрових (АЦП) й цифроаналогових перетворювачів (ЦАП).

У теперішній час покращення технічних характеристик ЦАП і АЦП виконується переважно двома шляхами: удосконаленням елементної бази та удосконаленням структур і алгоритмів функціонування.

Перший напрямок має назву технологічного і передбачає широке використання нових фізичних явищ, технологій, матеріалів і досягнень мікроелектроніки для покращення параметрів АЦП і ЦАП [1]. Проте, по мірі підвищення вимог до метрологічних характеристик АЦП і ЦАП, що виготовлюються на основі гібридної та інтегральної технології, виникають фундаментальні обмеження, які обумовлені похибками припасування параметрів аналогових вузлів у процесі їх виготовлення, а також нестабільністю цих параметрів у часі та під час змінення умов навколишнього середовища.

Другий напрям пов'язано з уведенням у пристрої структурної надлишковості у вигляді додаткових блоків і відповідних алгоритмів функціонування, використання яких дозволяє покращити точносні характеристики, зокрема, шляхом компенсування похибок або коригування отриманого результату перетворювання.

Основними перевагами використання конвеєрних АЦП є висока швидкість перетворення та низький рівень споживання потужності, які у поєднанні з низькою вартістю реалізації за КМОН технологією, роблять їх привабливими для користувачів. Але технологічні обмеження виготовлення мікросхем конвеєрних АЦП, а також специфічне накопичення похибок заважають підвищенню рівня точності конвеєрного АЦ-перетворення, яка, у першу чергу, визначається похибками каскадних АЦП-ЦАП, пристроїв вибірки-зберігання (ПВЗ), підсилення різниці та інших.

Починаючи з кінця 70-х років, в Україні та за кордоном у техніці АЦП та ЦАП почали використовувати метод інформаційної надлишковості, зокрема, у вигляді надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ). Використання таких систем числення в АЦП порозрядного врівноваження, побудованих на низькоточній елементній базі, дозволяє комплексно вирішувати проблеми підвищення їх точності та швидкодії. Водночас, використання такого підходу для підвищення точності та швидкодії конвеєрних АЦП вимагає детальних додаткових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась в рамках держбюджетної теми 52-Д-201 “Дослідження принципів уведення інформаційної надлишковості для підвищення точності та швидкості аналого-цифрового перетворення”, номер держ. Реєстр. №0199U003435.

Мета й задачі дослідження. Метою досліджень є підвищення точності конвеєрних АЦП, побудованих на низькоточних аналогових вузлах, за рахунок використання вагової надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення.

Основними задачами дослідження є:

1. Аналіз існуючих методів побудови та підвищення точності конвеєрних АЦП.

2. Розробка методу формування нерозривної передатної характеристики конвеєрного АЦ-перетворення з використанням принципу вагової надлишковості.

3. Розробка математичних моделей статичних похибок конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі.

4. Розробка методів підвищення точності конвеєрних АЦП із зниженими вимогами щодо первинних похибок елементної бази шляхом цифрового калібрування ваг розрядів.

5. Оцінювання ефективності уведення вагової надлишковості у високоточні конвеєрні АЦП із нерозривною передатною характеристикою.

6. Розробка структурних схем високоточних самокаліброваних високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі.

7. Розроблення рекомендацій щодо використання високоточних самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю в системах реєстрації та обробки аналогових сигналів, а також проектування високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю у вигляді напівзамовних ВІС у мікроелектронному виконанні.

8. Розроблення рекомендацій щодо використання сучасних САПР під час проектування аналогової частини конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю та створення допоміжних програмних засобів комп'ютерного моделювання процесу перетворення для вказаного класу пристроїв, а також функціонування їх окремих вузлів і блоків.

Об'єкт дослідження – процес накопичення статичних похибок під час конвеєрного аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення, що породжує проблему підвищення точності.

Предмет дослідження – високоточні самокалібровані конвеєрні АЦП із ваговою надлишковістю, побудовані на низькоточних аналогових вузлах і блоках.

Методи дослідження базуються на використанні: теорії АЦ-перетворення та математичного моделювання для аналізу нерозривності передатної характеристики; теорії похибок для розроблення моделей статичних похибок та методів калібрування ваг розрядів; теорії чисел та чисельних методів для вибору рівня вагової надлишковості систем числення, що застосовуються; комп'ютерному моделюванні під час аналізу функціонування як окремих вузлів, так і всього пристрою в цілому, а також для перевіряння справедливості отриманих теоретичних положень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що:

·

· удосконалено метод формування нерозривної передатної характеристики конвеєрного АЦ-перетворення, який базується на використанні вагової надлишковості у вигляді НПСЧ;

· удосконалено математичні моделі статичних похибок високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, аналіз яких дозволив визначити шляхи підвищення точності перетворення;

· подальшого розвитку дістали методи калібрування ваг розрядів високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю на низькоточних аналогових вузлах за стратегією “знизу-догори” і “всі одразу”, що дозволяють підвищити точність перетворення у порівнянні з первинною точністю елементної бази без фізичного впливу на параметри аналогових вузлів та без зменшення швидкості АЦ-врівноваження;

· уперше розроблено методи побудови високопродуктивних високоточних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю на низькоточних аналогових вузлах, використовуючи методи самокалібрування ваг розрядів за рахунок вагової надлишковості;

· уперше отримано оцінки ефективності уведення вагової надлишковості у високоточні високопродуктивні самокалібровані конвеєрні АЦП із зниженими вимогами щодо первинних похибок елементної бази.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що на основі отриманих наукових результатів запропоновано рекомендації:

·

· з використання високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі, у вимірювально-інформаційних системах перевірки якості телевізійних каналів і трактів та для створення високопродуктивних телекомунікаційних систем;

· щодо схемотехнічного проектування високопродуктивних самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі;

· щодо використання сучасних засобів автоматичного проектування (САПР) та розроблення спеціалізованого допоміжного програмного забезпечення комп'ютерного моделювання процесу перетворення для високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачем: [2] – запропоновано структуру та алгоритм роботи самокаліброваної системи цифрової реєстрації аналогової інформації з підвищеною стабільністю статичних метрологічних характеристик; [3] – проведено огляд принципів уведення надлишковості у високопродуктивні АЦП, зокрема, у АЦП порозрядного наближення; [4] – запропоновано два методи калібрування ваг розрядів конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю та структури, які дозволяють реалізовувати запропоновані методи; [5], [8] – розглянуто моделі похибок конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю; [6] – запропоновано структуру високоточного конвеєрного АЦП, в якому за рахунок введення нових блоків, зв'язків між ними та окремої процедури самокалібрування зменшуються технологічні вимоги до окремих блоків та вузлів пристрою; [7] – запропоновано структуру самокаліброваного конвеєрного АЦП із ваговою надлишковістю та розрядним коефіцієнтом (-1;0;1); [9] – запропоновано метод формування нерозривної передатної характеристики конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточних аналогових вузлах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на восьмій міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (ВОТТП8-01, Хмельницький, 2001 р.), на VI міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001, Вінниця, ВДТУ, 2001 р.), на дев'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (ВОТТП9-02, Хмельницький, 2001 р.), на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Вінницького державного технічного університету (Вінниця, ВДТУ, 1997-2002 рр.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 5 статтях у фахових наукових журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України, у 2 збірниках наукових праць, 1 публікації у вигляді тез доповідей та 1 патенті на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел, який складається з 168 найменувань, і додатків. Загальний обсяг дисертації 229 сторінок, із яких основний зміст викладено на 147 сторінках друкованого тексту, містить 79 рисунків та 13 таблиць. Додатки містять акти впровадження результатів роботи.

Основний зміст роботи

У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету роботи та задачі дослідження. Охарактеризовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано зв'язок поставлених задач із плановими науковими дослідженнями.

У першому розділі проведено аналіз стану техніки конвеєрного аналого-цифрового перетворення. Розглянуто сучасні методи побудови конвеєрних АЦП, а також методи підвищення їх точності.

Показано, що роль конвеєрних АЦП серед усього спектру АЦП постійно збільшується завдяки тому, що конвеєрний підхід дозволяє значно підвищити продуктивність АЦ-перетворення, при цьому рівень споживання потужності остається низьким.

Водночас конвеєрні АЦП мають ряд недоліків, головним із яких є низька точність перетворення через накопичення похибок каскадів врівноваження. Спроби будувати конвеєрні АЦП на низькоточній елементній базі призводять до ще більшого зниження загальної точності перетворення. Під низькоточною елементною базою слід розуміти такі аналогові вузли або блоки, рівень інструментальних похибок яких може бути більше і навіть значно більше, ніж рівень підсумкових статичних похибок перетворення. Наприклад, технологічні можливості завдання номіналів в інтегральних схемах, зокрема, без лазерного припасування, для резисторів складає: 0.1ё1% (по абсолютній величині –10ё30%), а для конденсаторів – 0.01ё0.1% (по абсолютній величині – 5ё20%). Використання такої елементної бази дозволяє досягти точності перетворення, яка відповідає 2ё8 двійковим розрядам.

Показано, що головною проблемою, яка потребує вирішення, є: підвищення точності конвеєрних АЦП, у тому числі конвеєрних АЦП, побудованих на низькоточній елементній базі. Вирішення цієї проблеми за рахунок уведення структурної надлишковості у вигляді додаткових вузлів і блоків призводить до зростання складності та ціни виробу, рівня споживаної потужності тощо.

Показано, що галузями використання високоточних конвеєрних АЦП є: системи високопродуктивної обробки та реєстрації аналогових сигналів, професійне відео, медичне ультразвукове сканування, цифровий осцилограф, аналізатори спектра та інші. Сформульовано напрям і задачі досліджень.

У другому розділі розглянуто методи високоточного конвеєрного АЦ-перетворення з ваговою надлишковістю. Проведено аналіз можливих варіантів формування перетворювальних шкал для різних каскадів врівноваження конвеєрних АЦП із різними розрядними коефіцієнтами. За результатами аналізу отримано системи обмежень, які є умовами формування нерозривної передатної характеристики конвеєрного АЦ-перетворення.

Запропоновано метод формування нерозривної передатної характеристики конвеєрного АЦ-перетворення, який полягає в тому, що необхідно обрати таке значення шкального коефіцієнта , при якому будуть гарантовано виконуватися всі умови відповідної системи обмежень. Шкальний коефіцієнт для таких конвеєрних АЦП буде визначати основу системи числення для переведення отриманого результату у двійковий еквівалент.

На основі систем обмежень отримано аналітичні зв'язки рівня вагової надлишковості з інструментальними похибками елементної бази. Так, для конвеєрних АЦП із розрядними коефіцієнтами та : , а для конвеєрних АЦП із розрядним коефіцієнтом : , де – гранична статична похибка формування ваг розрядів.

Показано, що запропонований підхід формування нерозривної передатної характеристики може бути використано у конвеєрних АЦП із різноманітною реалізацією структур каскадів врівноваження. До кожної структури каскаду врівноваження запропоновано алгоритм роботи та оцінено підсумковий час перетворення конвеєрного АЦП. На рис. наведено структурну схему каскаду врівноваження, для якої час перетворення буде складати:

,

де n – кількість каскадів врівноваження (з умови Ю ),

– час фіксації вхідного сигналу ПВЗ, – час перетворення зафіксованого аналогового сигналу за допомогою m-розрядного a-АЦПi, – час формування компенсуючого аналогового сигналу за допомогою m-розрядного a-ЦАПi, – час формування різниці між зафіксованою вхідною аналоговою величиною і компесуючою, – час підсилення різниці.

Рис. 1. Структурна схема каскаду врівноваження конвеєрного АЦП із ваговою надлишковістю

Блок-схему роботи кожного каскаду врівноваження (рис. ), що входять до складу блоку перетворення конвеєрного АЦП із нерозривною передатною характеристикою, наведено на рис. 2.

Запропоновано також інші структури та алгоритми роботи каскадів врівноваження, зокрема:

·

та

;

·

·

Здійснено аналіз статичних похибок для різних структур АЦП із різними розрядними коефіцієнтами конвеєрного АЦ-перетворення, отримані аналітичні залежності рівняння балансу з урахуванням статичних похибок.

Так, наприклад, рівняння врівноваження конвеєрного АЦП, побудованого на основі каскаду врівноваження (рис. ), без урахування статичних похибок має вигляд:

,

а з урахуванням складових статичних похибок –

,

де – похибка зміщення і-го каскаду врівноваження на j-ому циклі перетворення (j=1…m), – похибка масштабу (відхилення значення коефіцієнту підсилення -го каскаду врівноваження).

Показано, що отримані системи рівнянь з урахуванням статичних похибок є універсальними та не залежать від рівня вагової надлишковості, а також не залежать від технології виготовлення (статичних властивостей) елементів та вузлів конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю.

Розглянуто методи отримання числових значень статичних похибок елементів, які полягають у розв'язанні відповідних систем нелінійних рівнянь на основі підсумків перетворень різних вхідних аналогових сигналів, що дозволяє підвищити точність конвеєрного АЦ-врівноваження з ваговою надлишковістю.

Так, якщо для вище розглянутої структури (рис. ) на основі отриманих рівнянь балансу для різних вхідних аналогових величин(l=1…k), де k-кількість невідомих, створити систему нелінійних рівнянь:

де – розрядний коефіцієнт при перетворенні вхідної аналогової величини на j-ому циклі і-ого каскаду врівноваження.

Запропоновано два алгоритми калібрування ваг розрядів високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, що побудовані на низькоточній елементній базі, та дозволяють підвищити їх точність без фізичного впливу на параметри аналогових вузлів, не зменшуючи швидкість АЦ-врівноваження.

Перший метод калібрування ваг розрядів є модифікацією відомого алгоритму калібрування ваг розрядів АЦП порозрядного наближення “знизу-догори”. Для уведення процедури самокалібрування між вагами розрядів вихідного коду у НПСЧ повинна бути рекурентна залежність, наприклад, залежність побудована на основі -пропорції: , де , або на основі золотої -пропорції: , де

Процедура визначення реальних ваг розрядів є такою: виконується по два перетворення (примусове вмикання та вимикання) для кожного каскаду з підключенням на вході каскаду, що калібрується, блоку еталонної аналогової величини.

Отримані коди реальних ваг розрядів заносяться у блок пам'яті і потім використовуються у другому (основному) режимі – перетворення, в якому цифровий еквівалент вхідного аналогового сигналу зображується у вигляді: , де або , – код ваги відповідного -го каліброваного розряду.

Другий метод калібрування базується на утворенні на базі кожного каскаду врівноваження циклічного АЦП (стратегія “усі одразу”) (рис. ). Так, наприклад, для конвеєрного АЦП із розрядним коефіцієнтом існують такі складові статичної похибки -го каскаду: та – похибка лінійності залежно від розрядного коефіцієнта , – зміщення коефіцієнта підсилення і-го каскаду врівноваження від обраної основи системи числення .

Процедура визначення реальних ваг розрядів є такою: виконується по три перетворення (кількість невідомих) для кожного каскаду з підключенням на вході каскаду, що калібрується, блоку еталонної аналогової величини, а потім вихід каскаду замикається на вхід, в результаті чого отримаємо циклічний перетворювач на основі кожного каскаду врівноваження.

Рис. . Узагальнена структурна схема самокаліброваного конвеєрного АЦП

Після розв'язання системи рівнянь, яка складається з рівнянь балансу для різних вхідних аналогових величин, будь-яким відомим методом отримані коди, наприклад, , та , заносяться у блок пам'яті і потім використовуються у другому (основному) режимі – перетворення. Можна також звести отримані результати до кодів реальних ваг розрядів, наприклад, та .

У третьому розділі розглянуто методи побудови високоточних самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, методи оцінювання складності структур таких АЦП, а також оцінювання ефективності уведення вагової надлишковості у самокалібровані конвеєрні АЦП із ваговою надлишковістю.

Розглянуто різні методи побудови структур високоточних високопродуктивних конвеєрних АЦП на низькоточній елементній базі з ваговою надлишковістю й можливістю проведення калібрування ваг розрядів. Ці методи базуються на використанні у структурі каскаду врівноваження:

·

· a-АЦП порозрядного наближення замість флеш a-АЦП та a-ЦАП;

· a-АЦП із перерозподілом заряду замість ПВЗ, a-АЦП, a-ЦАП та формувача різниці вхідного та компенсуючого сигналу;

· a-АЦП послідовної лічби замість флеш a-АЦП та a-ЦАП.

Запропоновані методи дозволяють зменшити апаратурні витрати на побудову окремого каскаду врівноваження, а також зменшити загальну кількість каскадів врівноваження, що входять до складу блоку перетворення.

З метою порівняння різних методів та структур високопродуктивних конвеєрних АЦП запропоновано алгоритм оцінювання складності як окремого каскаду врівноваження, так і усього блоку перетворення конвеєрного АЦП. Запропонований підхід полягає у такому: кожній структурній одиниці присвоюється числове значення структурної складності Si, потім усі числові значення підсумовуються для отримання структурної складності каскаду врівноваження , а потім і структурної складності всього блоку перетворення , що складається з n каскадів врівноваження. Структурну складність кожного елементу, блоку та пристрою, запропоновано виражати в одиницях складності (1ос]), що дозволяє проаналізувати будь-яку структуру каскаду врівноваження й блоку перетворення. Автором запропоновано прийняти такі позначення:  – складність ПВЗ; – m-розрядного флеш a-АЦП;  – a-ЦАП;  – пристроїв підсумовування та підсилення, – комутатора (мультиплексора, демультиплексора), де k – сумарна кількість входів та виходів.

Проведено оцінювання складності різних структур із метою визначення більш оптимального значення роздільної здатності окремого каскаду врівноваження. Отримано криві складності блоку перетворення, який складається з каскадів врівноваження різної роздільної здатності (рис. для каскаду врівноваження – рис. ). Показано, що складність блоку порівняння й оптимальна роздільна здатність малорозрядного АЦП окремого каскаду врівноваження зростає із збільшенням рівня вагової надлишковості.

Рис. . Графік залежності Sбп(a,m) для 14-розрядних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю

Здійснено порівняння складності існуючих серійних конвеєрних АЦП та запропонованих конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю. Показано, що складність останніх менша у 2ё5 разів (табл. ).

Таблиця 1

Порівняльна оцінка складності серійних конвеєрних АЦП і побудованих із використанням запропонованих підходів

Сім'я АЦП Параметри AD922x (Analog Devices) ADS8xx (Burr-Brown) MAX1200 (MAXIM)

Роздільна здатність 12 12 14

Кількість каскадів врівноваження 2 (1 – 6 біт/каскад, 1 – 7 біт/каскад) 11 – 2 біта/каскад 6 (5 – 4 біта/каскад, 1 – 7 біт/каскад)

Складність блоку перетворення 3·SПВЗ+SАЦП,6+ SАЦП,7+SЦАП,6+ +Sпідсум+Sпідсил 11·(SПВЗ+SАЦП,2+ +SЦАП,2+Sпід) 5·(SПВЗ+SАЦП,4+ +SЦАП,4+Sпід)+ +SПВЗ+SАЦП,7

= 226 = 132 = 287

Складність блоку перетворення із ваговою надлишковістю (2·SПВЗ+ +SАЦП+SЦАП+Sпід) (SПВЗ+ +SАЦП+SЦАП+Sпід) (SПВЗ+ +SАЦП+SЦАП+Sпід)

a=2.85, dQ=5%, m=1, 95 63 73

a=2.4, dQ=25%, m=2 85 66 77

Проведено аналіз ефективності уведення вагової надлишковості для зниження вимог до первинних похибок елементної бази. Найбільш ефективними значеннями передатного коефіцієнта є:

Аналіз ефективності уведення вагової надлишковості для підвищення швидкодії блоку порівняння (рис. ) (передатний коефіцієнт - aос) та блоку підсилення аналогових сигналів (передатний коефіцієнт - aопід) показав, що значення ефективності залежить не тільки від рівня вагової надлишковості, а залежить також від кінцевої роздільної здатності такого конвеєрного АЦП (табл. ) та від роздільної здатності каскаду врівноваження (табл. ).

Рис. . Графіки для різних систем

Таблиця 2

Розраховані значення aос для різних систем

l 8 10 12 14 16 18 20 22 Ґ

aос1 1.794 1.828 1.853 1.872 1.886 1.898 1.907 1.915 2

aос2 2.667 2.727 2.769 2.8 2.823 2.842 2.857 2.869 3

Таблиця 3

Розраховані значення aопід для різних систем

M 1 2 3 4 5 6 8 10 12

aопід 2 | 3 1.649 1.396 1.284 1.221 1.181 1.133 1.105 1.087

У четвертому розділі розглянуто рекомендації щодо використання високопродуктивних самокаліброваних конвеєрних АЦП на низькоточній елементній базі з ваговою надлишковістю у системах реєстрації та обробки аналогових сигналів, зокрема, у вимірювально-інформаційних системах перевірки якості телевізійних каналів і трактів та для створення високопродуктивних телекомунікаційних систем, а також рекомендації щодо проектування та моделювання високоточних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю.

Розроблено рекомендації щодо проектування структур систем обробки та реєстрації аналогових сигналів на базі високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі. Наведено граф-схеми функціонування розроблених систем, які дозволяють створювати високопродуктивні системи обробки та реєстрації аналогових сигналів, вимірювально-інформаційних систем перевірки якості телевізійних каналів і трактів та телекомунікаційних систем.

Запропоновано структури та алгоритми функціонування систем обробки та реєстрації аналогових сигналів (наприклад, відеосигналів) із підвищеною стабільністю метрологічних характеристик за рахунок застосування алгоритмів калібрування ваг розрядів, які дозволяють підтримувати задану точність перетворення аналогових сигналів під час зміни умов навколишнього середовища та протягом усього часу експлуатування.

Розроблено рекомендації щодо проектування структури вимірювально-інформаційної системи аналізу параметрів відео- та аудио-сигналів (рис. ) на базі високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, які дозволяють паралельно (одночасно) перетворювати n вхідних аудіосигналів, або один вхідний відеосигнал, а також обробляти (реєструвати) вхідні аналогові (аудіо-, відео-) сигнали з різною частотою незалежно для кожного вхідного каналу. На рис. прийнято такі позначення: К1, К2 – комутатори, БАЦВ – блок АЦ-врівноваження, Зт – затримка (можна виключити), СЦОП – спеціалізований цифровий обчислювальний пристрій, Ф – фільтр, ЦБУ – центральний блок управління, ІФ – інтерфейс.

Рис. . Структурна схема вимірювально-інформаційної системи аналізу параметрів відео- та аудио-сигналів

Надано рекомендації щодо моделювання аналогової частини конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, використовуючи сучасне програмне забезпечення та системи автоматичного проектування (САПР). Проведено моделювання різних структур каскадів врівноваження, у тому числі системи для вимірювання параметрів відеосигналів (fпер ?  МГц) із розрядним коефіцієнтом . Міжкаскадний коефіцієнт підсилення складає: . Блок перетворення реалізований на основі компаратора AD8564 (Analog Devices), підсилювача LH0031, ключів, конденсатора (1 нФ) та резисторів різних номіналів. Час перетворення такої схеми складає tпер  нс (fпер=13.3 МГц), що є достатнім для вимірювання параметрів відеосигналів. У даному випадку ПВЗ реалізований як комбінація ключа, конденсатора та підсилювача, хоча рекомендується використовувати ПВЗ фірми Analog Devices, наприклад, AD9101 (частота вибірки ?50 МГц). Також слід використовувати високошвидкісні ключі, наприклад, ADG701/ADG702 (Analog Devices) або MAX4644 (MAXIM).

Надано рекомендації щодо проектування аналогової частини конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю у вигляді напівзамовних ВІС на основі БМК, із використанням програмованих аналогових матриць та з використанням досягнень SI мікросхемотехніки.

Розроблено спеціалізовані програмні засоби для комп'ютерного моделювання та аналізу процесу АЦ-перетворення високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі, а також функціонування їх окремих вузлів і блоків. Комп'ютерне моделювання дозволило оцінити ефективність процедур калібрування ваг розрядів. Так, для 10 розрядного конвеєрного АЦП із розрядним коефіцієнтом , рівнем інструментальної похибки – 25% ( Ю l=12) похибки до калібрування: D0=17.988; dk=0.080023, -29 Ј D'н Ј , -54 Ј Dн Ј ; після калібрування: D0=0.188; dk=0.115862, -1.0 Ј D'н Ј .0, -1.03 Ј Dн Ј .99.

висновки

У дисертаційній роботі виконано дослідження, присвячені підвищенню точності конвеєрних АЦП, реалізованих на низькоточних аналогових вузлах і блоках, за рахунок використання вагової надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення.

Основні результати досліджень є такими:

1. Проведено аналіз сучасних принципів побудови конвеєрних АЦП та методів підвищення їх точності. Показано, що цей клас перетворювачів є перспективним, оскільки має такі суттєві переваги: високий рівень продуктивності та відносно низький рівень споживання потужності.

2. Наведено огляд принципів уведення надлишковості у високопродуктивні АЦП порозрядного врівноваження, а також запропоновано метод використання вагової надлишковості для формування нерозривної передатної характеристики високопродуктивного АЦ-перетворення конвеєрних АЦП, побудованих на низькоточній елементній базі.

3. Уперше запропоновано моделі статичних похибок високопродуктивних конвеєрних АЦП, побудованих на низькоточній елементній базі, отримано аналітичний зв'язок із необхідним рівнем вагової надлишковості, який слід використовувати у такому конвеєрному АЦП для забезпечення нерозривності передатної характеристики АЦ-перетворення.

4. Запропоновано методи калібрування ваг розрядів високопродуктивних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі, за стратегіями “знизу-догори” та “усі одразу”, які дозволяють значно підвищити точність перетворення у порівнянні з первинною точністю.

5. Проведено аналіз ефективності уведення вагової надлишковості для зниження вимог щодо точності завдання параметрів елементної бази та підвищення швидкодії пристрою порівняння аналогових величин та пристрою формування та підсилення аналогової різниці, а також проведено аналіз складності запропонованих структур. Показано, що для зниження вимог до первинних похибок елементної бази найбільш ефективними є значення: a=1.37 та a=1.596, а складність запропонованих високоточних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю менша у 2ё5 разів у порівнянні зі складністю серійних високоточних конвеєрних АЦП (порівняно із AD922x фірми Analog Devices – у 2.825 рази, ADS8xx фірми Burr-Brown – 2.095, MAX1200 фірми MAXIM – 3.932).

6. Запропоновано методи побудови структур високопродуктивних самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, що дозволяє зменшити як апаратурні витрати на побудову окремого каскаду врівноваження і зменшити загальну кількість каскадів врівноваження, які входять до складу блоку перетворення, та підвищити швидкість перетворення.

7. Розроблено рекомендації щодо побудови високопродуктивних систем реєстрації та обробки аналогових сигналів із підвищеною стабільністю метрологічних характеристик на базі високоточних самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, побудованих на низькоточній елементній базі, за рахунок калібрування ваг розрядів, що дозволяє підтримувати задану точність перетворення під час змінення умов навколишнього середовища та протягом часу експлуатування. Надано рекомендації щодо проектування конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю у вигляді напівзамовних ВІС, програмованих аналогових матриць та з використанням досягнень SI мікросхемотехніки.

8. Запропоновано рекомендації щодо використання сучасних САПР під час проектування аналогової частини конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю, а також розроблення спеціалізованого програмного забезпечення для комп'ютерного моделювання процесу перетворення в самокаліброваних конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю.

Список опублікованих праць

1. Шапошніков О.В. Огляд сучасних методів побудови високопродуктивних конвеєрних аналого-цифрових перетворювачів // Реєстрація, зберігання і обробка даних. – 2001. – Т. 3, №1. – С. .

2. Азаров О.Д., Скрипник О.С., Шапошніков О.В. Розробка самокаліброваної системи цифрової реєстрації аналогової інформації // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – №2. – С. .

3. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Дослідження високопродуктивного аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення // Вісник ВПІ. – 2000. – №4. – С. .

4. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Підвищення точності швидкодіючих АЦП конвеєрного типу методом інформаційної надлишковості // Вісник ВПІ. – 2001. – №5. – С. .

5. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Моделі похибок самокаліброваних конвеєрних АЦП на основі інформаційної надлишковості // Вісник ВПІ. – 2001. – №6. – С. .

6. Пат. №44073А України, 7 Н03М1/42. Конвеєрний аналого-цифровий перетворювач / О.Д. Азаров, О.В. Шапошніков (Україна). – №2001042458; Заявл. 12.04.2001; Опубл. 15.01.2002, Бюл. №1. – 5 с.

7. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Конвеєрний АЦП з розрядним коефіцієнтом (-1;0;1) на основі інформаційної надлишковості // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Зб. наук. пр. – Хмельницький: ТУП, 2001. – С. 122-124.

8. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Моделі похибок самокаліброваних конвеєрних АЦП на основі інформаційної надлишковості // Тези доповідей VI міжнародної конференції “Контроль і управління в складних системах. (КУСС-2001)”. – Вінниця: УНІВЕРСУМ. – 2001. – С. .

9. Азаров О.Д., Шапошніков О.В. Метод формування нерозривної шкали перетворення конвеєрних АЦП // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Зб. наук. пр. – Хмельницький: ТУП, 2002. – С. .

Анотації

Шапошніков О.В. Дослідження та розробка високоточних конвеєрних аналого-цифрових перетворювачів із ваговою надлишковістю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. – Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2002.

Дисертацію присвячено підвищенню точності високопродуктивних конвеєрних АЦП за рахунок використання вагової надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ). Розроблено метод формування нерозривної передатної характеристики за рахунок обрання такого рівня вагової надлишковості, який би відповідав рівню інструментальних похибок елементної бази. Розроблено методи зменшення похибок конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю шляхом проведення процедури самокалібрування ваг розрядів. Проведено оцінювання ефективності уведення вагової надлишковості та складності таких конвеєрних АЦП у порівнянні зі звичайними конвеєрними АЦП. Запропоновано рекомендації щодо використання сучасних САПР під час проектування конвеєрних АЦП із ваговою надлишковістю та побудови на їх базі високопродуктивних систем реєстрації та обробки аналогових сигналів.

Ключові слова: аналого-цифрове перетворення, вагова надлишковість, надлишкові позиційні системи числення, самокалібрування, точність, статичні похибки, конвеєрні аналого-цифрові перетворювачі.

Shaposhnikov O.V. Research and design the high-precision pipeline analog-to-digital converters with redundant place values. – Manuscript.

Dissertation for candidate of technical sciences degree field 05.13.05 – elements and devices of computer facilities and systems of control. – Vinnytsia State Technical University, Vinnytsia, 2002.

The dissertation is devoted to the improvement of precision of the highly productive pipeline ADCs by using the redundant place values in the form of redundant positional counting systems (RPCS). The method of forming of the indissoluble characteristic input-output at the expense of choosing such level of the redundant place values corresponding to the instrumental errors level was developped. The methods of decrease errors of the pipeline ADCs with redundant place values using the process of self-calibration were also developped. The efficiency of the using the redundant place values is estimated. The complexity of such pipeline ADCs comparing with serial production pipeline ADCs is estimated. The recommendations of the using the contemporary CAD systems for designing of the pipeline ADCs with redundant place values and building on their base the highly productive data registration and data processing systems are suggested.

Key words: analog-to-digital conversion, redundant place value, redundant positional counting system, self-calibration, precision, statical errors, pipeline analog-to-digital converter.

Шапошников О.В. Исследование и разработка высокоточных конвейерных аналого-цифровых преобразователей с весовой избыточностью. – Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. – Винницкий государственный технический университет, Винница, 2002.

Диссертация посвящена повышению точности высокопроизводительных конвейерных АЦП за счет использования весовой избыточности в виде избыточных позиционных систем счисления (ИПСС). Разработан метод формирования неразрывной передаточной характеристики за счет выбора такого уровня весовой избыточности, который бы соответствовал уровню инструментальных погрешностей элементной базы.

Разработаны модели статических погрешностей конвейерного аналого-цифрового преобразования, которые позволили определить пути снижения их влияния на результат преобразования. Разработаны методы уменьшения статических погрешностей конвейерных АЦП с весовой избыточностью путем проведения процедур самокалибрования весов разрядов стратегиями "снизу-вверх" и "все сразу".

Оценено сложность структур существующих и предлагаемых конвейерных АЦП. Показано, что сложность предложенных высокоточных конвейерных АЦП с весовой избыточностью меньше в 2ё5 раз по сравнению со сложностью серийных высокоточных конвейерных АЦП.

Проведены оценки эффективности введение весовой избыточности для уменьшения требований точности задача статических свойств элементной базы, которая входит в состав блока преобразование конвейерного АЦП с весовой избыточностью. Показано, что в данном случае наиболее эффективными являются значения: a=1.37 и a=1.596. Проведен анализ эффективности введения весовой избыточности для повышения быстродействия устройства сравнения аналоговых величин и устройства формирования и усиления аналоговой разности.

Предложены структуры высокопроизводительных самокалиброваных конвейерных АЦП с весовой избыточностью на основе обобщенных структур каскадов уравновешивания, которые позволяют уменьшить как аппаратурные затраты на построение отдельного каскада уравновешивания, так и уменьшить общее количество каскадов уравновешенности, которые входят в состав блока преобразования.

Разработаны рекомендации по построению высокопроизводительных систем регистрации и обработки аналоговых сигналов с повышенной стабильностью статических метрологических характеристик на базе высокоточных самокалиброванных конвейерных АЦП с весовой избыточностью, построенных на низкоточной элементной базе, за счет калибрования весов разрядов, которые позволяют поддерживать заданную точность преобразования при изменении условий окружающей среды и на протяжении всего времени эксплуатирования. Предложены рекомендации по проектированию конвейерных АЦП с весовой избыточностью в виде полузаказных БИС, программированных аналоговых матриц и с использованием достижений SI микросхемотехники.

Разработаны рекомендации по использованию современных САПР для проектирования аналоговой части конвейерных АЦП с весовой избыточностью, а также специализированного программного обеспечения для компьютерного моделирования процесса преобразования в конвейерных АЦП с весовой избыточностью, построенных на низкоточной элементной базе. Показано, что введение процедур калибрования весов разрядов, позволяет значительно уменьшить уровень дифференционной и интегральной нелинейности.

Ключевые слова: аналого-цифровое преобразование, весовая избыточность, избыточные позиционные системы счисления, самокалибрование, точность, статические погрешности, конвейерные аналого-цифровые преобразователи.