Рис. 7. Схема устройства контроля АЦП с разбраковкой результата контроля
она представляется в аналоговой форме. Кроме того, цифровая ошибка ΔN может быть подана на цифровой компаратор ЦК, в который занесены верхний и нижний пределы ее допустимых значений, что позволяет произвести проверку АЦП по принципу «годен—не годен», т. е. разбраковку контролируемых преобразователей. Разрешающая способность образцового ЦАП в данной схеме, как и в предыдущей, должна быть на порядок выше, чем в контролируемом АЦП, чтобы уровень квантования аналогового сигнала на входе АЦП не ограничивал разрешающую способность считывания ошибки.
Как указывалось, сложность контроля параметров АЦП заключается в том, что каждому его выходному числовому коду соответствует определенная непрерывная аналоговая входная величина (ширина ступеньки на рис. 5, 10.30), крайние значения которой формируют соответствующие смежные числовые переходы. Поэтому для более качественного контроля характеристик АЦП требуется определение значения каждого из переходных уровней входного напряжения, что не обеспечивается предыдущей схемой.
На рис. 8 изображена схема устройства, осуществляющего контроль выходной характеристики АЦП с автоматическим поиском переходных уровней. Это достигается включением контролируемого АЦП в цепь обратной связи, регулирующей его входное напряжение. Цифровой код Ni определяемого перехода с формирователя кодов ФК поступает на цифровой компаратор ЦК и на образ
Рис. 8. Схема устройства контроля АЦП с автоматическим поиском переходных уровней
цовый ЦАП. На другой вход компаратора подается выходной цифровой сигнал контролируемого АЦП. Цифровой компаратор вырабатывает сигнал, управляющий ключом К, через который на вход интегратора И поступает напряжение Но определенной полярности, формируемое программируемым источником напряжения ПИН и инвертором Ин. Система сфазирована таким образом, что изменяющееся выходное напряжение интегратора приближает выходной код АЦП к записанному в компаратор коду Ni. В момент достижения равенства кодов направление изменения выходного напряжения интегратора изменяется на противоположное вследствие переключения ключа К. В дальнейшем процесс продолжается при периодическом пилообразном колебании выходного напряжения интегратора вблизи уровня перехода. Точность, с которой производится поиск уровня перехода, определяется постоянной времени Т интегратора, его входным интегрируемым напряжением Uo и быстродействием контролируемого АЦП. Действительно, приращение ΔUи выходного напряжения интегратора за время интегрирования tи определяется соотношением
ΔUи=U0tи/T
Длительность интегрирования зависит от начальной разности кодов, поступающих на цифровой компаратор:
при большой разности длительность больше. Минимальное значение tn будет при периодическом колебании выходного напряжения интегратора относительно уровня перехода. При этом tи определяется периодичностью отсчетов АЦП, т. е. его быстродействием, и в предельном случае не превышает периода запуска АЦП Тзап. Для обеспечения требуемой точности контроля значение ΔUи не должно превышать нескольких процентов от значения младшего разряда Л контролируемого АЦП. При известных параметрах контролируемого АЦП (Δ и Тзап) и постоянной времени Т интегратора входное интегрируемое напряжение Uo для допустимой относительной погрешности γ= ΔUи/Δ поиска уровня перехода определяется неравенством
и для каждого конкретного типа АЦП формируется программируемым источником напряжения ПИН. Для уменьшения времени поиска уровня перехода при больших начальных рассогласованиях входных кодов компаратора начальное значение Uo устанавливается значительно большим требуемого до момента наступления равенства кодов, после чего U0 автоматически приводится к заданному значению. Найденное таким образом напряжение перехода Ui2 сравнивается затем дифференциальным усилителем У с напряжением Ui1, создаваемым образцовым ЦАП. Разностное выходное напряжение усилителя и будет характеризовать погрешность контролируемого АЦП в заданной точке характеристики.
Рассмотренные методы контроля АЦП с использованием образцового ЦАП нашли широкое применение при создании автоматизированного контрольно-измерительного оборудования.
4. 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.
|
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 tпр, 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 ЦАПобр на входе АЦПконтр формируется требуемое значение напряжения, соответствующее коду Ni, который выдается формирователем кодов ФК на устройство сравнения кодов УСК и ЦАПобр. 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 tпp контролируемого АЦП, а разность кодов ΔN, 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 tпр 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 tзд =nδt. 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 Ni на входе образцового ЦАП результат преобразования АЦП Ni' в статическом режиме его работы (при tзд>>tпр) записывается в запоминающий регистр ЗРг2 и затем сравнивается с текущим результатом преобразования АЦП Ni' при уменьшении tзд. В момент времени, когда выходной сигнал AN устройства сравнения кодов превысит допустимую погрешность преобразования, уменьшение временной задержки tзд устройством управления УУ прекращается и производится регистрация ее значения tзд=tпр= =nδt=KNx, т. е. время преобразования tпр пропорционально входному коду Nx программируемой линии задержки.
Для преобразователей, не использующих команду внешнего запуска и не формирующих сигнал окончания цикла преобразования, время преобразования tпр 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 tпр 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 tпр тактируемых АЦП (рис. 11), в которых начало преобразования совпадает с моментом поступления импульса запуска (синхронизирующего импульса), отличается от предыдущих схем тем, что частота fг 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: tnp=n/fr, 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.
Список использованных источников
1. Измерения и контроль в микроэлектронике: Учебное пособие по специальностям электронной техники/Дубовой Н.Д., Осокин В.И., Очков А.С. и др.; Под ред. А.А.Сазонова.- М.:Высш. Шк.,1984.-367с., ил.
