Измерение параметров АЦП - реферат

Министерство общего и профессионального образования РФ

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Новгородский Государственный Университет

им. Ярослава Мудрого

кафедра ФТТиМ

Контроль параметров АЦП

Реферат по дисциплине:

Испытания изделий электронной техники.

Выполнил:

Студент группы 4031

_______Галинко В.Ю.

«___»_____________1999

Проверил:

Преподаватель каф. ФТТиМ

_______Крутяков.Л.Н.

«___»_____________1999

Новгород

1999

Содержание

Введение

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразовате­ли АЦП находят .широкое применение в различ­ных областях современной науки и техники. Они являют­ся неотъемлемой составной частью цифровых измери­тельных приборов, систем преобразования и отображе­ния информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиоло­кационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода—вывода информации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практически любых функ­ций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства, корреляторы, анализаторы спектра и т. д. Велики перспективы использования быстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несом­ненно, серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилит тенденцию про­никновения метода дискретно-непрерывного преобразо­вания в сферу науки и техники. Одним из стимулов раз­вития цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразо­вателей в интегральном исполнении в последнее время является широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характе­ристиками. В настоящее время применяют три вида тех­нологии производства АЦП: модульную, гибрид­ную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и в недалеком будущем, по-видимому, в мо­дульном и гибридном исполнениях будут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобра­зователи с достаточно большой рассеиваемой мощно­стью.

В данной главе рассматриваются основные структу­ры, характеристики и методы контроля интегральных микросхем АЦП.

1 Основные структуры ИМС АЦП

Рис. 1. Обобщенная структурная схема АЦП

Xi=nΔx=x ±Δk,

где Δk - погрешность квантования, обусловленная тем, что преобразуемая величина х может содержать нецелое число п ступеней квантования Δх.

Максимально возможная погрешность квантования (погрешность дискретности) определяется ступенью квантования, т. е.

Δk_max= Δx

Для известного диапазона x_max максимально возмож­ное число дискретных значений преобразуемого сигнала х (включая х==0)

n_max=(x_max/ Δx+1)

При этом, как правило, погрешность квантования не должна превышать общую погрешность преобразования.

Следовательно, если известно значение допустимой отно­сительной погрешности преобразования γ_maх, то при опре­делении ступени квантования необходимо учитывать со­отношение

Δx ≤ (γ_maх /100)_*x_max

Кроме того, следует учитывать, что АЦП обладают определенным порогом чувствительности Хп.ч, т. е. спо­собностью вызывать изменение выходной информации преобразователя при воздействии на его вход наимень­шего значения преобразуемого сигнала. Поэтому значе­ние Δx должно превышать Хп.ч и удовлетворять неравен­ству

Хп.ч < Δx ≤ (γ_maх /100)_*x_max

Реализацию обобщенной структуры можно осущест­вить различными способами, которые рассмотрены ниже. Независимо от способа построения АЦП всем им прису­ща методическая погрешность, обусловленная погрешно­стью квантования Δx.

В зависимости от области применения АЦП их основ­ные характеристики (точность, разрешающая способ­ность, быстродействие) могут существенно отличаться. При использовании АЦП в измерительных устройствах главную роль играет точность преобразования, а быстро­действие этих устройств ограничено реальной скоростью регистрации результата измерения. При использовании АЦП в качестве устройства ввода измерительной инфор­мации в ЭВМ от него требуется быстродействие в боль­шей степени.

Широкое применение АЦП в различных областях на­уки и техники явилось предпосылкой создания разных структур АЦП, каждая из которых позволяет решить определенные задачи, предъявляемые к АЦП в каждом конкретном случае. Из всего многообразия существую­щих методов аналого-цифрового преобразования в интегральной технологии нашли применение в основном три:

1) метод прямого (параллельного) преобразования;

2) метод последовательного приближения (поразряд­ного уравновешивания);

3) метод интегрирования.

Каждый из этих методов позволяет добиться наилуч­ших параметров (быстродействия, разрешающей способ­ности, помехоустойчивости и т. д.). Потребность в АЦП с оптимальными параметрами или с отдельными экстре­мальными параметрами обусловила появление структур преобразователей, использующих комбинацию перечис­ленных методов. Рассмотрим структурные схемы АЦП, нашедших наибольшее распространение в интегральной технологии.

В АЦП с параллельным преобразованием входной сигнал прикладывается одновременно ко входам всех компараторов. В каждом компараторе он сравнивается с опорным сигналом, значение которого эквивалентно определенной кодовой комбинации. Опорный сигнал сни­мается с узлов резистивного делителя, питаемого от ис­точника опорного напряжения. Число возможных кодо­вых комбинаций (а следовательно, число компараторов) равно 2^m—1, где т—число разрядов АЦП. АЦП прямо­го преобразования обладают самым высоким быстродей­ствием среди других типов АЦП, определяемым быстро­действием компараторов и задержками в логическом де­шифраторе. Недостатком их является необходимость в большом количестве компараторов. Так, для 8-разрядно­го АЦП требуется 255 компараторов. Это затрудняет реализацию многоразрядных (свыше 6—8-го разрядов) АЦП в интегральном исполнении. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильно­стью каждого компаратора и резистивного делителя. Тем не менее на основе данного принципа строят наиболее быстродействующие АЦП со временем преобразования в пределах десятков и даже единиц наносекунд, но огра­ниченной разрядности (не более шести разрядов).

АЦП последовательного приближения имеет несколь­ко меньшее быстродействие, но существенно большую разрядность (разрешающую способность). В нем исполь­зуется только один компаратор, максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превы­шает числа разрядов преобразователя. Суть такого ме­тода преобразования заключается в последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения Us с выходным напряжением образцового ЦАП, изменяю­щимся по закону последовательного приближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности). Входной сигнал U_x с помощью аналогового компаратора КН сравни­вается с выходным сигналом образцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательно­го приближения РгПП. При запуске схемы РгПП уста­навливается генератором Г в исходное состояние. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответ­ствующее половине диапазона преобразования, что обес­печивается включением его старшего разряда 100 ... 0. Если Us меньше выходного напряжения ЦАП, то стар­ший разряд выключается, включается второй по стар­шинству разряд (на входе ЦАП код 0100...0), что соот­ветствует 'формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыду­щего. В случае если Их пре­вышает это напряжение, то дополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110...0), что при­водит к увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжение ЦАП вновь сравни­вается с напряжением Ux и т. д. Описанная процедура повторяется т раз (где m—число разрядов АЦП). В итоге на выходе ЦАП формируется напряжение, отли­чающееся от входного преобразуемого напряжения Ux не более чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения Ux в его цифровой эквива­лент—параллельный двоичный код Nx—снимается с выхода РгПП. Очевидно, погрешность преобразования и быстродействие такого устройства определяются в основ­ном параметрами ЦАП (разрешающей способностью, ли­нейностью, быстродействием) и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразова­телей сравнительно высокого быстродействия (время 'пре­образования 'порядка нескольких сот наносекунд). На ос­нове метода последовательного приближения реализова­на и серийно выпускается ИМС 12-разрядного АЦП К572ПВ1 с временем преобразования 100 мкс.

Наиболее простыми по структуре среди интегрирую­щих преобразователей являются АЦП с преобразовани­ем напряжения в частоту, построенные на базе интегри­рующего усилителя и аналогового компаратора. Погреш­ность их преобразования определяется нестабильностью порога срабатывания компаратора и постоянной времени интегратора. Более высокими метрологическими харак­теристиками обладают АЦП, реализованные по принци­пу двойного интегрирования (например, ИМС, 11-раз­рядного АЦП К572ПВ2), поскольку при этом практиче­ски удается исключить влияние на погрешность преобра­зования нестабильности порога срабатывания компара­тора и постоянной времени интегратора.

Анализ описанных методов преобразования и струк­турных схем АЦП позволяет сделать вывод, что наи­большим быстродействием обладают АЦП прямого пре­образования, однако их разрядность невысока. АЦП поразрядного уравновешивания, обладая средним быст­родействием, дают возможность получить достаточно высокую разрешающую способность. Но помехозащи­щенность тех и других преобразователей невысока. АЦП интегрирующего типа, обладая наименьшим быстродей­ствием, обеспечивают наибольшую помехозащищенность и точность преобразования.

2. Характеристики ИМС АЦП

Основными параметрами, характеризующими ИМС АЦП, являются разрешающая способность, нели­нейность, коэффициент преобразования, погрешность полной шкалы, смещение нуля, абсолютная погрешность, дифференциальная нелинейность, монотонность, время преобразования.

Разрешающая способность определяется числом дис­кретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования. Чем больше число дискретных значений, тем выше разрешающая способность преобразователя. Двоичный m-разрядный преобразователь имеет 2^m дискретных значений, а его разрешающая способность равна 1/2^m. В преобразовате­лях различают наименьший и наибольший значащие раз­ряды. В двоичной системе кодирования наименьший зна­чащий разряд — это разряд, имеющий наименьший вес. Вес младшего разряда определяет разрешающую способ­ность. Наибольший значащий разряд соответствует наибольшему весу. В двоичной системе кодирования наи­больший значащий разряд имеет вес 1/2 номинального значения максимально возможного выходного сигнала при всех включенных разрядах (полной шкалы преобра­зования).

a) б)

Рис. 2. Примеры линеаризации выходной характеристики преобразователей:

а—линеаризующая прямая проходит через крайние точки реальной харак­теристики преобразователя; б — линеаризация для получения минимальной погрешности линейности

Разрешающая способность характеризует как ЦАП, так и АЦП и может выражаться либо в процентах, либо в долях полной шкалы. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от значения полной шкалы. Преобразователь с полной шка­лой напряжения 10 В может обеспечивать изменение выходного кода на единицу при изменении входного напря­жения на 2,45 мВ. Аналогично 12-разрядный ЦАП дает изменение выходного напряжения на 0,0245% от значе­ния полной 'шкалы при изменении двоичного входного кода на один двоичный разряд. Разрешающая способность является скорее расчетным параметром, а не тех­нической характеристикой, поскольку она не определяет ни точность, ни линейность преобразователя.

Нелинейность _н, или интегральная нелинейность, ха­рактеризуется отклонением _н(х) реальной характерис­тики преобразователя f_p(x) от прямой. При этом значе­ние _н(х) зависит от метода линеаризации. Рис. 2,а иллюстрирует способ линеаризации, когда линеаризую­щая прямая проходит через крайние точки реальной ха­рактеристики ЦАП. При этом наблюдается максималь­ная погрешность линейности (нелинейность _н). На рис. 2,б прямая проводится таким образом, что макси­мальное отклонение f_p(x) от прямой получается в два раза меньше. Однако для этого необходимо знать харак­тер реальной характеристики ЦАП, что очень 'сложно обеспечить в серийном производстве. Поэтому, как пра­вило, погрешность линейности определяют при прохож­дении линеаризующей прямой через крайние точки ха­рактеристики f_p (х). Для определения нелинейности (ко­торая обычно выражается в процентах от полной шкалы или в долях единицы младшего разряда) необходимо знать аналитическую зависимость между выходным ана­логовым сигналом ЦАП и его цифровым входом. Для ЦАП с двоичными т-разрядами аналоговый выход U_вых зависит от входного двоичного кода в идеальном случае (в отсутствие погрешностей преобразования) таким об­разом:

U_вых = U_оп(B₁2^-1+B₂2^-2+…+ B_m2^-m), (1)

где B₁, B₂, ..., B_m—коэффициенты двоичного числа, име­ющие значение единицы или нуля (что соответствует включению или выключению разряда); U_on—опорное напряжение ЦАП. Так как

то выходное напряжение ЦАП при всех включенных раз­рядах (B₁, B₂, ..., B_m = 1) определяется соотношением

(2)

Таким образом, при включении всех разрядов выход­ное напряжение ЦАП, равное напряжению полной шка­лы U_п.ш, отличается от опорного напряжения U_оп на зна­чение младшего разряда преобразователя Δ:

(3)

При включении i-ro разряда выходное напряжение ЦАП

U_вых=U_оп2^-i (4)

Выражение (1) показывает линейную зависимость между аналоговым выходом и цифровым входом преоб­разователя. Следовательно, сумма аналоговых выходных величин, полученная для любой комбинации разрядов, действующих независимо, должна быть равна аналого­вому сигналу, который получается при одновременном включении всех разрядов этой комбинации. Э

Рис 3 Характеристики ЦАП с различными значениями коэффициентов преобразования

Таким образом, нелинейность характеризует как ЦАП, так и АЦП и наряду с дифференциальной нели­нейностью имеет первостепенное значение для оценки качества преобразователей, поскольку все другие по­грешности (смещение нуля, погрешность полной шкалы и т. д.) могут быть сведены к нулю соответствующими регулировками.

Коэффициент преобразования Кпр определяет наклон характеристики преобразователя. Как отмечалось, для идеального ЦАП наклон характеристики должен быть таким, чтобы при включении всех разрядов (двоичный код полной шкалы No на его цифровых входах равен 111...1) выходное напряжение полной шкалы U_п.ш ЦАП было меньше опорного напряжения U_оп на значе­ние младшего разряда Δ, что соответствует прямой 1 на рис. 3 [соотношение (2)]. Для ЦАП с токовым выхо­дом наклон характеристики определяется номиналом ре­зистора обратной связи Roc (Рис. 4), который нахо­дится в составе преобразователя и предназначен для включения в цепь обратной связи усилителя-преобразо­вателя тока в напряжение. При номинальном значении R_ос напряжение U_n.ш отличается от U_on на значение младшего разряда Δ. Если номинал R_oc больше, то ко­эффициент преобразования возрастает (прямая 3 на рис. 3), если меньше,—то уменьшается (прямая 2 на рис 3). Это объясняется тем, что абсолютные значения младшего разряда Δ₂ и Δ₃ для характеристик 2 и 3 рис. 3 отличаются от расчетного номинального значения Δ₁, определяемого соотношением (3). При этом фактиче­ские значения младших разрядов преобразования опре­деляются соотношением

Δ_ф=U_п.ш.ф./(2^m-1)

где U_п.ш.ф.—фактическое значение полной шкалы преоб­разователя.

Погрешность полной шкалы δ_п.ш отражает степень отклонения реального коэффициента преобразования от расчетного, т. е. под δ_п.ш понимают разность между но­минальным значением полной шкалы преобразователя U_п.ш.н, определяемым соотношением (2), и его фактичес­ким значением U_п.ш.ф. Таким образом, для ЦАП

де Δ_н и Δ_ф — номинальное и фактическое значения еди­ницы младшего разряда преобразователя.

Относительная погрешность полной шкалы определя­ется выражением

и, следовательно, не зависит от коэффициента преобра­зования ЦАП.

Погрешность полной шкалы АЦП харак­теризуется отклонением действительного входного напряжения от его расчетного значения для полной шкалы вы­ходного кода. Она может быть обусловлена погрешнос­тями опорного напряжения U_oп, многозвенного резистивного делителя, коэффициента усиления усилителя и т. д. Погрешность шкалы может быть скорректирована с по­мощью регулирования коэффициента усиления выходно­го усилителя или опорного напряжения.

Смещение нуля (погрешность нуля) равно выходному напряжению ЦАП при нулевом входном коде или среднему значению входного напряже­ния АЦП, необходи­мому для получения нулевого кода на его выходе. Смещение нуля вызвано током утечки через разряд­ные ключи ЦАП,

напряжением смеще­ния выходного уси­лителя либо компаратора. Данную погрешность можно скомпенсировать с помощью внешней по отношению к ЦАП или АЦП регулировки нулевого смещения. По­грешность нуля δ₀ может быть выражена в процентах от полной шкалы или в долях младшего разряда. Следует отметить, что погрешность полной шкалы определяют с учетом смещения нуля характери­стики преобразователя, в то время как при определении погрешности линейности линеаризующая прямая должна проходить через начало реальной функции преобразова­ния f_р(х), т. е. смещение нуля δ₀ необходимо корректи­ровать, чтобы не внести погрешность в измерение линей­ности, поскольку она суммируется всякий раз при счи­тывании выходного сигнала. Действительно, для ЦАП справедливо неравенство

U_вых(B₁+B₂+…+B_m)+δ₀≠U_выхB₁+ U_выхB₂+…+ U_выхB_m+mδ₀

в левой части которого погрешность нуля 6о суммируется один раз (все разряды включены), а в правой—т раз (m отдельных считываний выходного сигнала ЦАП). При этом погрешность измерения нелинейности будет мень­ше, если смещение нуля 6о запоминается и вычитается из напряжения каждого последующего считываемого раз­ряда до того, как будет произведено определение нели­нейности.

Абсолютная погрешность преобразования отражает отклонение фактического выходного сигнала преобразо­вателя от теоретического, вычисленного для идеального преобразователя. Этот параметр указывается обычно в процентах к полной шкале преобразования и учитывает все составляющие погрешности преобразования (нели­нейность, смещение нуля, коэффициент преобразования). Поскольку абсолютное значение выходного сигнала пре­образователя определяется опорным напряжением U_oп [см. соотношения (3), (4)], то абсолютная погрешность преобразования находится в прямой зависимости от ста­бильности напряжения U_оп. В большинстве преобразова­телей используется принцип двойного кодирования. По­этому для получения кратного значения младшего раз­ряда обычно выбирают U_on= 10,24 В. В этом случае для 12-разрядных ЦАП расчетное номинальное значение младшего разряда Δ=2,5 мВ и напряжение полной шка­лы U_п.ш.н= 2,5 (2¹²—1) мВ= 10237,5 мВ.

Изменение напряжения U_on, например, на 1% вызо­вет изменение абсолютной погрешности преобразования также на 1%, что составит в верхней точке диапазона 102,375 мВ.

Дифференциальная нелинейность δ_н.д определяется отклонением приращения выходного сигнала преобразо­вателя от номинального значения младшего разряда при последовательном изменении кодового входного сигнала на единицу. Дифференциальная нелинейность идеально­го преобразователя равна нулю. Это означает, что при изменении входного кода преобразователя на единицу его выходной сигнал изменяется на значение младшего разряда. Допустимым значением дифференциальной не­линейности считается (1/2)Δ(1/2 значения младшего раз­ряда).

Дифференциальная нелинейность может быть вычис­лена таким образом. Для конкретного m-разрядного пре­образователя расчетное значение единицы младшего раз­ряда Δ_р=[U_п.ш/(2^m—l).

обеспечивающее контроль схем различного назначения, обычно сложное и дорогостоящее. Установки специаль­ного назначения, контролирующие схемы, как правило, одного типа, выполняют контроль быстрее, и с ними мо­гут работать люди, не обладающие большим опытом и мастерством.

В преобразователях с высокой разрешающей способ­ностью необходимо проконтролировать большое количе­ство параметров для получения информации о работе преобразователя. Например, 12-разрядный ЦАП или АЦП имеет 2¹², или 4096, возможных комбинаций вход— выход. Безусловно, без применения автоматизированной высокопроизводительной установки решить проблему контроля подобных преобразователей невозможно.

При контроле ИМС АЦП, особенно многораз­рядных, необходимо соблюдать меры предосторожности при подключении контролируемого преобразователя к установке контроля. Линии связи должны быть такой длины и такого сопротивления, чтобы падение напряже­ния на них не вызвало значительного увеличения по­грешности измерения параметров ИМС АЦП.

Если проверяют ЦАП с токовым выходом, то к его выходу подключают операционный усилитель, обеспечи­вающий преобразование выходного тока ЦАП в напря­жение. При этом резистор обратной связи, входящий в состав ЦАП, подключают без подстроечных потенцио­метров, чтобы можно было измерить погрешность сме­щения нуля и полной шкалы.

Далее перед измерением параметров ЦАП нужно определенное время для его прогрева, чтобы обеспечить установившийся тепловой режим контроля. Это относит­ся в первую очередь к контролю нелинейности ЦАП, поскольку требуется большое количество измерений, за время которых из-за нагрева ЦАП его параметры могут существенно измениться. Например, у ЦАП с рассеивае­мой мощностью порядка 500 мВт время прогрева в зави­симости от типа корпуса колеблется от 5 до 15 мин.

С целью уменьшения времени контроля желательно проводить контроль параметров ЦАП не во всех точках его выходной характеристики. Минимальный объем по­лучаем при контроле значений всех разрядов, включае­мых по одному. Однако такой контроль допустим только в случае малого взаимного влияния разрядов, когда все разряды или комбинации разрядов, которые включаются, полностью независимы от включенного (выключенного) состояния других разрядов. В противном случае для по­лучения достоверного результата следует производить контроль по всем дискретным значениям выходного сиг­нала, т. е. в 2^mочках характеристики.

Далее будут рассмотрены методы контроля статичес­ких и динамических параметров ИМС АЦП, ко­торые могут быть использованы в автоматизированных системах контроля, предназначенных как для обеспече­ния серийного производства ИМС АЦП, так и для их входного контроля.