Контроль динамических параметров ИМС АЦП

Для преобразования быстроизменяющихся сигналов с широким частотным спектром, быстрого ввода информа­ции в ЭВМ, в частности аналоговых сигналов с первич­ных преобразователей при работе в многоканальных ин­формационных системах, требуются АЦП, имеющие хорошую линейность и малое время преобразования. По­следнее определяют как интервал времени, в течение ко­торого выходной сигнал АЦП при подаче ступенчатого входного сигнала достигает значения, отличающегося от установившегося не более чем на допустимую погреш­ность. Следует иметь в виду, что при определении вре­мени преобразования необходимо учитывать статическую погрешность преобразования, чтобы последняя не входи­ла составной частью в результирующую погрешность определения времени преобразования. Поэтому под уста­новившимся значением выходного сигнала АЦП пони­мают результат преобразования в статическом режиме, когда процесс преобразования заведомо завершился.

Рис 9 Схема Устройства измерения времени преобразования АЦП с внещним запуском.

В отличие от ЦАП, для которых динамическая и ста­тическая погрешности преобразования могут быть опре­делены как составная часть его разрешающей способно­сти, в контролируемом АЦП погрешность преобразования, как бы мала она ни была, лимитируется погрешно­стью его дискретности. Помимо определения времени пре­образования в ряде случаев требуется контроль допол­нительных динамических характеристик: времени пере­ходного процесса во входных цепях АЦП t_вх и времени цикла преобразования t_ц, необходимого для отработки всех разрядов АЦП и получения на выходе соответству­ющего кода. Эти характеристики связаны соотношением t_пр=t_вх+t_ц, поэтому достаточно проконтролировать t_гр и одну из оставшихся величин. Контроль времени t_вх целесообразен, когда оно соизмеримо со временем кодиро­вания, поскольку значение tax можно использовать в дальнейшем для определения соответствующей составля­ющей результирующей погрешности в динамическом ре­жиме. Если время преобразования не зависит от значе­ния входного сигнала, то целесообразно контролировать одно значение t_пр в точке, расположенной в верхней поло­вине диапазона измерений.

Контроль динамических параметров ИМС АЦП суще­ственно зависит от конкретной структуры преобразователя, в частности от наличия синхронизирующих команд АЦП.

 

Для преобразователей, использующих команду внеш­него запуска и вырабатывающих сигнал окончания цик­ла преобразования, значение t_пр, определяют измерением временного интервала между импульсами запуска и кон­ца цикла.преобразования. На рис. 9 приведена схема устройства измерения времени преобразования таких АЦП. С помощью.программируемого сточника образцовых напряжений ЦАП_обр на входе АЦП_контр формируется требуемое значение напряжения, соответствующее коду Ni, который выдается формирова­телем кодов ФК на устройство сравнения кодов УСК и ЦАП_обр. Затем производят периодический запуск АЦП импульсами генератора, определяющими момент начала преобразования. Импульсы, соответствующие моменту конца преобразования, поступают на Вход 2 измерителя временного интервала, на Вход 1 которого.поступают им­пульсы запуска АЦП. Полученный результат определяет время преобразования t_пp контролируемого АЦП, а раз­ность кодов Δ N, выдаваемая УСК в момент окончания преобразования, характеризует динамическую погреш­ность преобразования.

При визуальном методе контроля с помощью осцил­лографа эту задачу решают следующим образом. Для АЦП с последовательным кодом преобразования на эк­ране осциллографа определяют временной интервал меж­ду импульсом запуска и моментом появления импульса выходного кодового сигнала контролируемого АЦП, со­ответствующего его младшему разряду (рис. 10.35, а). При параллельной форме выдачи цифровой информации с АЦП время преобразования наблюдается на экране ос­циллографа как расстояние (по временной оси) между передними фронтами импульса запуска АЦП и импульса t-го разряда, соответствующего допустимой динамиче­ской погрешности преобразования (рис. 10.35, б).

Автоматическое измерение t_пр подобных АЦП иллю­стрируется рис. 10. Отличие данной схемы от схемы рис. 9 состоит в том, что момент выдачи выходной информации с АЦП в устройство сравнения кодов УСК относительно импульса запуска АЦП можно менять с помощью программируемой линии задержки ЛЗ, обес­печивающей запись выходного кода АЦП в запоминаю­щий регистр ЗРг₁ в конкретный момент времени /,, от­стоящий от импульса запуска АЦП на известное число п дискретных значений δt. Время задержки между им­пульсами запуска и считывания выходного сигнала АЦП определяется соотношением t_зд =n δt. Момент записи вы­ходного кода АЦП в регистр ЗРг₁ и передачи его кода в УСК последовательно приближается к моменту запуска АЦП до тех пор, пока погрешность преобразования АЦП не превысит допустимое значение .

Для ис­ключения влияния погрешности формирования входного сигнала АЦП и его статической погрешности преобразо­вания на определение динамической погрешности АЦП устройством сравнения кодов сопоставляют текущее зна­чение выходного сигнала АЦП при с его вы­ходным сигналом Ni' для режима преобразования, когда . Для этого при управляющем коде N_i на входе об­разцового ЦАП результат преобразования АЦП N_i' в статическом режиме его работы (при t_зд >> t_пр) записы­вается в запоминающий регистр ЗРг₂ и затем сравнива­ется с текущим результатом преобразования АЦП N_i' при уменьшении t_зд. В момент времени, когда выходной сигнал AN устройства сравнения кодов превысит допустимую погрешность преобразования, уменьшение времен­ной задержки t _зд устройством управления УУ прекраща­ется и производится регистрация ее значения t_зд=t_пр= =nδt=KN_x, т. е. время преобразования t_пр пропорцио­нально входному коду N_x программируемой линии за­держки.

Для преобразователей, не использующих команду внешнего запуска и не формирующих сигнал окончания цикла преобразования, время преобразования t_пр определяют путем измерения минимального временного интервала между моментами подачи ступенчатого входного сигнала АЦП и выдачи сигнала преобразования, находящегося в пределах допустимых значений. Единственное отличие схемы, обеспечивающей контроль t_пр таких АЦП, от предыдущей состоит в том, что момент начала преоб­разования совпадает с моментом подачи через ключ К (показанный на рис. 10 пунктиром), управляемый им­пульсом запуска генератора Г, входного воздействия с ЦАП на контролируемый АЦП. Сложность реализации такой схемы, особенно для контроля быстродействующих АЦП, заключается в высоких требованиях к параметрам формируемого ключом входного воздействия АЦП, вре­мя достижения которым номинального значения должно быть много меньше времени преобразования контроли­руемого АЦП. Регистр ЗРг₂, запоминающий результат преобразования АЦП в статическом режиме, позволяет исключить статическую погрешность ключа (в том числе его временную нестабильность) и тем самым значитель­но уменьшить требования к параметрам входного сигна­ла АЦП.

Схема устройства измерения времени преобразования t_пр тактируемых АЦП (рис. 11), в которых начало преобразования совпадает с моментом поступления им­пульса запуска (синхронизирующего импульса), отлича­ется от предыдущих схем тем, что частота f_г тактовых импульсов генератора Г возрастает до момента превыше­ния результатом преобразования контролируемого АЦП допустимого значения, после чего с помощью устройства измерения частоты Ч производят измерение частоты так­товых импульсов, определяющих время преобразования: t_np=n/f_r, где п— число тактов уравновешивания за один цикл измерения, зависящее от разрядности контролируе­мого АЦП.

В данной главе были рассмотрены основные структу­ры ИМС АЦП, параметры и методы их контро­ля. Проведенный анализ методов контроля позволяет сде­лать вывод, что наиболее универсальным является метод, использующий образцовый ЦАП, на базе которого воз­можно построение автоматизированного КИО для провер­ки как ЦАП, так и АЦП. Среди контролируемых парамет­ров наибольшую сложность с точки зрения обеспечения их контроля представляют нелинейность характеристи­ки преобразователей и их время преобразования. В первом случае требуется образцовый преобразователь с высокой разрешающей способностью и линейностью, во втором — широкополосный усилитель и быстродействующий стробируемый дискриминатор

уровней с высокой чувстви­тельностью по амплитуде. Все это свидетельствует о том, что создание автоматизированного КИО для ИМС АЦП является очень сложной научно-технической про­блемой. Непрерывное совершенствование параметров вы­пускаемых ИМС АЦП, повышение их разрешаю­щей способности, быстродействия требуют дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых методов и средств контроля. Появление преобразователей с числом разрядов 16 и более вызывает необходимость создания КИО, которое по точностным характеристикам приближается к эталонным средствам. Обеспечение до­стоверного контроля подобных преобразователей стано­вится возможным лишь в случае создания КИО, в кото­ром для получения результата измерения широко исполь­зуется вычислительная техника, позволяющая проводить статистическую обработку результатов отсчета, вводить дополнительные коррекции и т. д. При этом желаемый ре­зультат может быть достигнут, если КИО работает на специально оборудованном метрологическом участке, ис­ключающем воздействие на него различных внешних де­стабилизирующих факторов.