Реферат: Измерение параметров АЦП
Министерствообщего и профессионального образования РФ
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
НовгородскийГосударственный Университет
им. Ярослава Мудрого
кафедра ФТТиМ
Контрольпараметров АЦПРеферат по дисциплине:
Испытанияизделий электронной техники.
Выполнил:
Студент группы 4031
_______Галинко В.Ю.
«___»_____________1999
Проверил:
Преподаватель каф. ФТТиМ
_______Крутяков.Л.Н.
«___»_____________1999
Новгород
1999
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line">Содержание
Введение3
RD4
2. Характеристики ИМС АЦП7
3. Контроль статических параметров ИМС АЦП13
4. Контроль динамических параметров ИМС АЦП19
Список использованных источников23
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA;layout-grid-mode:line">Введение
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят.широкое применение в различных областях современной науки и техники. Ониявляются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных приборов,систем преобразования и отображения информации, программируемых источниковпитания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолокационных систем,установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентамиразличных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода—выводаинформации ЭВМ. На их основе строят преобразователи и генераторы практическилюбых функций, цифроуправляемые аналоговые регистрирующие устройства,корреляторы, анализаторы спектра и т. д. Велики перспективы использованиябыстродействующих преобразователей в телеметрии и телевидении. Несомненно,серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых АЦП еще более усилиттенденцию проникновения метода дискретно-непрерывного преобразования в сферунауки и техники. Одним из стимулов развития цифро-аналоговых ианалого-цифровых преобразователей в интегральном исполнении в последнее времяявляется широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработкиданных. В свою очередь потребность в АЦП стимулирует их разработку ипроизводство с новыми, более совершенными характеристиками. В настоящее времяприменяют три вида технологии производства АЦП: модульную, гибридную иполупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральныхсхем (ИМС ЦАП и ИМС АЦП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает и внедалеком будущем, по-видимому, в модульном и гибридном исполненияхбудут выпускаться лишь сверхточные и сверхбыстродействующие преобразователи сдостаточно большой рассеиваемой мощностью.
В данной главе рассматриваются основные структуры, характеристики иметоды контроля интегральных микросхем АЦП.
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA;layout-grid-mode:line">1 Основные структуры ИМС АЦП
<img src="/cache/referats/1606/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Рис. 1. Обобщенная структурная схема АЦП
Обобщенная структурная схемаАЦП (рис.1) представляет собой дискретизирующее устройство ДУ, тактирующее работу квантующего КвУ и кодирующего КдУ устройств. Навход квантующего устройства поступает преобразуемый сигнал x(t), а свыхода кодирующего устройства снимается дискретный сигнал ДС, который для АЦП в интегральном исполнении обыччноимеет форму двоичного параллельного кода. В результате равномерногоквантования мгновенное значение xi непрерывной величины x(t) представляется в виде конечногочисла пступеней квантования Δх:
Xi=nΔx=x ±Δk,
где Δk — погрешность квантования, обусловленная тем, что преобразуемая величина х может содержатьнецелое число пступеней квантования Δх.
Максимально возможнаяпогрешность квантования (погрешность дискретности) определяется ступенью квантования, т. е.
<span Times New Roman",«serif»">Δkmax
<span Times New Roman",«serif»">=ΔxДля известного диапазона xmax максимально возможное число дискретныхзначений преобразуемого сигнала х (включая х==0)
<span Times New Roman",«serif»">nmax
<span Times New Roman",«serif»">=(xmax/ Δx+1)<span Times New Roman",«serif»">Приэтом, как правило, погрешность квантования не должна превышать общую погрешностьпреобразования.
Следовательно,если известно значение допустимой относительной погрешности преобразования γmaх, то при определении ступениквантования необходимо учитывать соотношение
Δx≤ (γmaх/100)*xmax
Кроме того, следуетучитывать, что АЦП обладают определенным порогом чувствительности Хп.ч, т. е. способностью вызывать изменениевыходной информации преобразователя при воздействии на его вход наименьшегозначения преобразуемого сигнала. Поэтому значение Δx должно превышать Хп.ч иудовлетворять неравенству
Хп.ч< Δx ≤ (γmaх/100)*xmax
Реализациюобобщенной структуры можно осуществить различными способами, которыерассмотрены ниже. Независимо от способа построения АЦП всем им присуща методическаяпогрешность, обусловленная погрешностью квантования Δx.
Взависимости от области применения АЦП их основные характеристики (точность,разрешающая способность, быстродействие) могут существенно отличаться. Прииспользовании АЦП в измерительных устройствах главную роль играет точностьпреобразования, а быстродействие этих устройств ограничено реальной скоростьюрегистрации результата измерения. При использовании АЦП в качестве устройстваввода измерительной информации в ЭВМ от него требуется быстродействие в большейстепени.
Широкоеприменение АЦП в различных областях науки и техники явилось предпосылкойсоздания разных структур АЦП, каждая из которых позволяет решить определенныезадачи, предъявляемые к АЦП в каждом конкретном случае. Из всего многообразия существующихметодов аналого-цифрового преобразования в интегральной технологии нашлиприменение в основном три:
1) метод прямого(параллельного) преобразования;
2)метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);
3) метод интегрирования.
Каждыйиз этих методов позволяет добиться наилучших параметров (быстродействия,разрешающей способности, помехоустойчивости и т. д.). Потребность в АЦП соптимальными параметрами или с отдельными экстремальными параметрами обусловилапоявление структур преобразователей, использующих комбинацию перечисленныхметодов. Рассмотрим структурные схемы АЦП, нашедших наибольшее распространениев интегральной технологии.
В АЦП с параллельным преобразованиемвходнойсигнал прикладывается одновременно ко входам всех компараторов. В каждомкомпараторе он сравнивается с опорным сигналом, значение которого эквивалентноопределенной кодовой комбинации. Опорный сигнал снимается с узлов резистивногоделителя, питаемого от источника опорного напряжения. Число возможных кодовыхкомбинаций (а следовательно, число компараторов) равно 2m—1, где т—числоразрядов АЦП. АЦП прямого преобразования обладают самым высоким быстродействиемсреди других типов АЦП, определяемым быстродействием компараторов и задержкамив логическом дешифраторе. Недостатком их является необходимость в большомколичестве компараторов. Так, для 8-разрядного АЦП требуется 255 компараторов.Это затрудняет реализацию многоразрядных (свыше6—8-го разрядов) АЦП в интегральном исполнении. Кроме того, точностьпреобразования ограничивается точностью и стабильностью каждого компаратора ирезистивного делителя. Тем не менее на основе данного принципа строят наиболеебыстродействующие АЦП со временем преобразования в пределах десятков и дажеединиц наносекунд, но ограниченной разрядности (не более шести разрядов).
АЦП последовательного приближенияимеетнесколько меньшее быстродействие, но существенно большую разрядность(разрешающую способность). В нем используется только один компаратор,максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превышаетчисла разрядов преобразователя. Суть такого метода преобразования заключаетсяв последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения Us с выходнымнапряжением образцового ЦАП, изменяющимся по закону последовательногоприближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности).Входной сигнал Ux с помощью аналогового компаратора КН сравнивается с выходным сигналомобразцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательногоприближения РгПП. При запуске схемы РгПП устанавливается генераторомГ в исходное состояние. При этом навыходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазонапреобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда 100… 0.Если Usменьше выходного напряжения ЦАП, то старший разряд выключается, включаетсявторой по старшинству разряд (на входе ЦАП код 0100...0), что соответствует'формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыдущего. В случаеесли Их превышает это напряжение, тодополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110...0), что приводитк увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжениеЦАП вновь сравнивается с напряжением Ux и т. д. Описанная процедура повторяется т раз (где m—число разрядов АЦП). В итоге на выходеЦАП формируется напряжение, отличающееся от входного преобразуемого напряженияUx не болеечем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения Ux в его цифровойэквивалент—параллельный двоичный код Nx—снимается свыхода РгПП. Очевидно, погрешность преобразования ибыстродействие такого устройства определяются в основном параметрами ЦАП(разрешающей способностью, линейностью, быстродействием) и компаратора (порогомчувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователейсравнительно высокого быстродействия (время 'преобразования 'порядка несколькихсот наносекунд). На основе метода последовательного приближения реализована исерийно выпускается ИМС 12-разрядного АЦП К572ПВ1 с временем преобразования 100мкс.
Наиболеепростыми по структуре среди интегрирующихпреобразователей являются АЦП с преобразованием напряжения в частоту,построенные на базе интегрирующего усилителя и аналогового компаратора. Погрешностьих преобразования определяется нестабильностью порога срабатывания компаратораи постоянной времени интегратора. Более высокими метрологическими характеристикамиобладают АЦП, реализованные по принципу двойного интегрирования (например,ИМС, 11-разрядного АЦП К572ПВ2), поскольку при этом практически удаетсяисключить влияние на погрешность преобразования нестабильности порогасрабатывания компаратора и постоянной времени интегратора.
Анализописанных методов преобразования и структурных схем АЦП позволяет сделатьвывод, что наибольшим быстродействием обладают АЦП прямого преобразования,однако их разрядность невысока. АЦП поразрядного уравновешивания,обладая средним быстродействием, дают возможность получить достаточно высокуюразрешающую способность. Но помехозащищенность тех и других преобразователейневысока. АЦП интегрирующего типа, обладая наименьшим быстродействием, обеспечиваютнаибольшую помехозащищенность и точность преобразования.
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA;layout-grid-mode:line">2. ХарактеристикиИМС АЦП
Основнымипараметрами, характеризующими ИМС АЦП, являются разрешающая способность,нелинейность, коэффициент преобразования, погрешность полной шкалы, смещениенуля, абсолютная погрешность, дифференциальная нелинейность, монотонность,время преобразования.
Разрешающая способностьопределяетсячислом дискретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих егопредел преобразования. Чем больше число дискретных значений, тем вышеразрешающая способность преобразователя. Двоичный m-разрядный преобразовательимеет 2m дискретных значений, а его разрешающая способность равна1/2m. В преобразователях различают наименьший и наибольший значащиеразряды. В двоичной системе кодирования наименьший значащий разряд — эторазряд, имеющий наименьший вес. Вес младшего разряда определяет разрешающуюспособность. Наибольший значащий разряд соответствует наибольшему весу. В двоичнойсистеме кодирования наибольший значащий разряд имеет вес 1/2 номинального значениямаксимально возможного выходного сигнала при всех включенных разрядах (полнойшкалы преобразования).
<img src="/cache/referats/1606/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"><img src="/cache/referats/1606/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">
a) б)
Рис. 2. Примеры линеаризации выходной характеристики преобразователей:
<span Times New Roman",«serif»">а—
<span Times New Roman",«serif»">линеаризующая<span Times New Roman",«serif»"> прямая проходит через крайние точки реальной характеристики преобразователя; б — линеаризация для получения минимальной погрешности линейности <img src="/cache/referats/1606/image007.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1026">Разрешающая способность характеризует как ЦАП, так и АЦП и можетвыражаться либо в процентах, либо в долях полной шкалы. Например, 12-разрядныйАЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от значения полной шкалы.Преобразователь с полной шкалой напряжения 10 В может обеспечивать изменениевыходного кода на единицу при изменении входного напряжения на 2,45 мВ. Аналогично 12-разрядный ЦАП дает изменение выходногонапряжения на 0,0245% от значения полной 'шкалы при изменении двоичноговходного кода на один двоичный разряд. Разрешающая способность является скореерасчетным параметром, а не технической характеристикой, поскольку она неопределяет ни точность, ни линейность преобразователя.
Нелинейность<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">d
н, или интегральнаянелинейность, характеризуется отклонением <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">dн(х)реальной характеристики преобразователя fp(x) от прямой.При этом значение <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">dн(х)зависит от метода линеаризации. Рис. 2, а иллюстрирует способ линеаризации,когда линеаризующая прямая проходит через крайниеточки реальной характеристики ЦАП. При этом наблюдается максимальнаяпогрешность линейности (нелинейность <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">dн). На рис. 2, б прямаяпроводится таким образом, что максимальное отклонение fp(x) от прямой получается в два разаменьше. Однако для этого необходимо знать характер реальной характеристикиЦАП, что очень 'сложно обеспечить в серийном производстве. Поэтому, как правило,погрешность линейности определяют при прохождении линеаризующейпрямой через крайние точки характеристики fp (х). Для определения нелинейности (котораяобычно выражается в процентах от полной шкалы или в долях единицы младшегоразряда) необходимо знать аналитическую зависимость между выходным аналоговымсигналом ЦАП и его цифровым входом. Для ЦАП с двоичными т-разрядами аналоговыйвыход Uвых зависит от входного двоичногокода в идеальном случае (в отсутствие погрешностей преобразования) таким образом:<span Times New Roman",«serif»">Uвых
<span Times New Roman",«serif»">= Uоп(B12-1+B22-2+…+Bm2-m), (1)где B1, B2, ..., Bm—коэффициентыдвоичного числа, имеющие значение единицы или нуля (что соответствуетвключению или выключению разряда); Uon—опорноенапряжение ЦАП. Так как
<img src="/cache/referats/1606/image009.gif" v:shapes="_x0000_i1028">
то выходное напряжение ЦАПпри всех включенных разрядах (B1, B2, ..., Bm = 1) определяетсясоотношением
<img src="/cache/referats/1606/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (2)
Таким образом, при включениивсех разрядов выходное напряжение ЦАП, равное напряжению полной шкалы Uп.ш, отличается от опорного напряжения Uоп на значение младшего разрядапреобразователя Δ:
<img src="/cache/referats/1606/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (3)
Привключении i-ro разряда выходное напряжение ЦАП
Uвых=Uоп2-i (4)
Выражение (1) показываетлинейную зависимость между аналоговым выходом и цифровым входом преобразователя.Следовательно, сумма аналоговых выходных величин, полученная для любой комбинацииразрядов, действующих независимо, должна быть равна аналоговому сигналу,который получается при одновременном включении всех разрядов этой комбинации.
Рис 3 Характеристики ЦАП с различными значениями коэффициентов преобразования
<img src="/cache/referats/1606/image014.gif" " " v:shapes="_x0000_s1035">Это является основойпростого и эффективного контроля нелинейности: включаются различные комбинацииразрядов и регистрируется соответствующий аналоговый сигнал. Затем каждыйразряд этой комбинации включается отдельно и записывается соответствующее емузначение выходного напряжения. Алгебраическая сумма этих значений сравнивается с суммой,получаемой для всех разрядов выбранной комбинации, включённых одновременно.Разность сумм и будет погрешностью линейности для данной точки выходной характеристикипреобразователя. Наихудшим случаем для погрешности линейности является включениевсех разрядов, поскольку при этом погрешность определяется суммой погрешностейвсех разрядов.
<img src="/cache/referats/1606/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
Преобразователь считаетсялинейным, если его максимальная погрешность линейности δnне превышает 1/2 значения младшего разряда Δ. Оценку линейности АЦПпроводят так же, как и для ЦАП.
Таким образом, нелинейностьхарактеризует как ЦАП, так и АЦП и наряду с дифференциальной нелинейностьюимеет первостепенное значение для оценки качества преобразователей, посколькувсе другие погрешности (смещение нуля, погрешность полной шкалы и т. д.) могутбыть сведены к нулю соответствующими регулировками.
Коэффициент преобразования Кпр определяет наклон характеристики преобразователя. Какотмечалось, для идеального ЦАП наклон характеристики должен быть таким, чтобыпри включении всех разрядов (двоичный код полной шкалы Noна его цифровых входах равен 111...1) выходное напряжение полной шкалы Uп.ш ЦАП было меньше опорного напряжения Uоп назначение младшего разряда Δ, что соответствует прямой 1 на рис. 3[соотношение (2)]. Для ЦАП с токовым выходом наклон характеристики определяетсяноминалом резистора обратной связи Roc (Рис. 4),который находится в составе преобразователя и предназначен для включения вцепь обратной связи усилителя-преобразователя тока в напряжение. При номинальномзначении Rоснапряжение Un.шотличается от Uonна значение младшего разряда Δ. Если номинал Roc больше, то коэффициентпреобразования возрастает (прямая 3на рис. 3), если меньше,—то уменьшается (прямая 2 на рис 3). Это объясняется тем, что абсолютные значения младшегоразряда Δ2 и Δ3 для характеристик 2 и 3рис. 3 отличаются от расчетного номинального значения Δ1, определяемого соотношением (3). При этом фактические значениямладших разрядов преобразования определяются соотношением
<span Times New Roman",«serif»">Δф
<span Times New Roman",«serif»">=Uп.ш.ф./(2m-1)где Uп.ш.ф.—фактическоезначение полной шкалы преобразователя.
Погрешность полной шкалыδп.шотражает степень отклонения реального коэффициента преобразования отрасчетного, т. е. под δп.ш понимаютразность между номинальным значением полной шкалы преобразователя Uп.ш.н, определяемым соотношением (2), и егофактическим значением Uп.ш.ф. Таким образом,для ЦАП
<img src="/cache/referats/1606/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1032">
де Δн и Δф— номинальное и фактическое значения единицы младшего разряда преобразователя.
Относительная погрешность полной шкалы определяется выражением
<img src="/cache/referats/1606/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1033">
и, следовательно, не зависит откоэффициента преобразования ЦАП.
Погрешностьполной шкалы АЦП характеризуется отклонением действительного входногонапряжения от его расчетного значения для полной шкалы выходного кода. Онаможет быть обусловлена погрешностями опорного напряжения Uoп, многозвенного резистивного делителя,коэффициента усиления усилителя и т. д. Погрешность шкалы может бытьскорректирована с помощью регулирования коэффициента усиления выходногоусилителя или опорного напряжения.
Смещение нуля(погрешность нуля) равновыходному напряжению ЦАП при нулевом входном коде или среднему значениювходного напряжения АЦП, необходимому для получения нулевого кода на еговыходе. Смещение нуля вызвано токомутечки через разрядные ключи ЦАП,
напряжением смещения выходного усилителялибо компаратора. Данную погрешность можно скомпенсировать с помощью внешней поотношению к ЦАП или АЦП регулировки нулевого смещения. Погрешность нуля δ0может быть выражена в процентах от полной шкалы или в долях младшего разряда.Следует отметить, что погрешность полной шкалы определяют с учетом смещениянуля характеристики преобразователя, в то время как при определениипогрешности линейности линеаризующая прямая должнапроходить через начало реальной функции преобразования fр(х), т. е. смещение нуля δ0необходимокорректировать, чтобы не внести погрешность в измерение линейности, посколькуона суммируется всякий раз при считывании выходного сигнала. Действительно,для ЦАП справедливо неравенство
<span Times New Roman",«serif»">Uвых
<span Times New Roman",«serif»">(B1+B2+…+Bm)+δ0≠UвыхB1+UвыхB2+…+ UвыхBm+mδ0в левойчасти которого погрешность нуля 6о суммируется один раз (все разряды включены),а в правой—т раз (mотдельных считываний выходного сигнала ЦАП). При этом погрешность измерениянелинейности будет меньше, если смещение нуля 6о запоминается и вычитается изнапряжения каждого последующего считываемого разряда до того, как будетпроизведено определение нелинейности.
Абсолютная погрешностьпреобразования отражает отклонение фактического выходного сигнала преобразователяот теоретического, вычисленного для идеального преобразователя. Этот параметруказывается обычно в процентах к полной шкале преобразования и учитывает всесоставляющие погрешности преобразования (нелинейность, смещение нуля,коэффициент преобразования). Поскольку абсолютное значение выходного сигналапреобразователя определяется опорным напряжением Uoп [см. соотношения (3), (4)], тоабсолютная погрешность преобразования находится в прямой зависимости от стабильностинапряжения Uоп. В большинстве преобразователейиспользуется принцип двойного кодирования. Поэтому для получения кратногозначения младшего разряда обычно выбирают Uon= 10,24 В. В этом случае для12-разрядных ЦАП расчетное номинальное значение младшего разряда Δ=2,5 мВ и напряжение полной шкалы Uп.ш.н=2,5 (212—1) мВ= 10237,5 мВ.
Изменениенапряжения Uon, например, на 1% вызовет изменениеабсолютной погрешности преобразования также на 1%, что составит в верхней точкедиапазона 102,375 мВ.
Дифференциальная нелинейностьδн.д определяется отклонением приращения выходногосигнала преобразователя от номинального значения младшего разряда при последовательномизменении кодового входного сигнала на единицу. Дифференциальная нелинейность идеальногопреобразователя равна нулю. Это означает, что при изменении входного кодапреобразователя на единицу его выходной сигнал изменяется на значение младшегоразряда. Допустимым значением дифференциальной нелинейности считается (1/2)[ПВ1] Δ(1/2значения младшего разряда).
Дифференциальнаянелинейность может быть вычислена таким образом. Для конкретного m-разрядногопреобразователя расчетное значение единицы младшего разряда Δр=[Uп.ш/(2m—l).
обеспечивающее контроль схемразличного назначения, обычно сложное и дорогостоящее. Установки специальногоназначения, контролирующие схемы, как правило, одного типа, выполняют контрольбыстрее, и с ними могут работать люди, не обладающие большим опытом и мастерством.
Впреобразователях с высокой разрешающей способностью необходимо проконтролироватьбольшое количество параметров для получения информации о работе преобразователя.Например, 12-разрядный ЦАП или АЦП имеет 212, или 4096, возможныхкомбинаций вход— выход. Безусловно, без применения автоматизированнойвысокопроизводительной установки решить проблему контроля подобных преобразователейневозможно.
Приконтроле ИМС АЦП, особенно многоразрядных,необходимо соблюдать меры предосторожности при подключении контролируемогопреобразователя к установке контроля. Линии связи должны быть такой длины итакого сопротивления, чтобы падение напряжения на них не вызвало значительногоувеличения погрешности измерения параметров ИМС АЦП.
Еслипроверяют ЦАП с токовым выходом, то к его выходу подключают операционный усилитель,обеспечивающий преобразование выходного тока ЦАП в напряжение. При этомрезистор обратной связи, входящий в состав ЦАП, подключают без подстроечных потенциометров, чтобы можно было измеритьпогрешность смещения нуля и полной шкалы.
Далееперед измерением параметров ЦАП нужно определенное время для его прогрева,чтобы обеспечить установившийся тепловой режим контроля. Это относится впервую очередь к контролю нелинейности ЦАП, поскольку требуется большое количествоизмерений, за время которых из-за нагрева ЦАП его параметры могут существенноизмениться. Например, у ЦАП с рассеиваемой мощностью порядка 500 мВт время прогрева в зависимости от типа корпусаколеблется от 5 до 15 мин.
Сцелью уменьшения времени контроля желательно проводить контроль параметров ЦАПне во всех точках его выходной характеристики. Минимальный объем получаем приконтроле значений всех разрядов, включаемых по одному. Однако такой контроль допустимтолько в случае малого взаимного влияния разрядов, когда все разряды или комбинацииразрядов, которые включаются, полностью независимы от включенного (выключенного)состояния других разрядов. В противном случае для получения достоверногорезультата следует производить контроль по всем дискретным значениям выходногосигнала, т. е. в 2mочках характеристики.
Далеебудут рассмотрены методы контроля статических и динамических параметров ИМСАЦП, которые могут быть использованы в автоматизированных системах контроля,предназначенных как для обеспечения серийного производства ИМС АЦП, так и дляих входного контроля.
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line"><span Times New Roman",«serif»"><img src="/cache/referats/1606/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1034">
<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA;layout-grid-mode:line"><span Times New Roman",«serif»">Рис. 4. Характеристика АЦП при наличии шума Рис. 5. Характеристика идеального четырехразрядного АЦП
<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA; layout-grid-mode:line">3. Контроль статических параметров ИМС АЦП
Из-за неопределенности квантования прианалого-цифровом преобразовании, равной 1/2 значения младшего разряда Δ,контроль АЦП представляет большие трудности по сравнению с контролем ЦАП,поскольку приходится не просто измерять выходной сигнал для заранееопределённого кода (в случае ЦАП), но также определять как выходной код, так иточку (момент) изменения выходного кода при непрерывном изменении входногонапряжения. Шумы (в преобразуемом сигнале или в преобразователе) вносят неопределенностьв точное задание аналоговых входных величин, при которых происходят кодовыепреобразования выходных сигналов, а также увеличивают диапазон квантования.Характер погрешности, обусловленной влиянием шума, показан на рис. 4.
При отсутствии шума и погрешности линейностиАЦП изменение выходного кода происходит при номинальных значениях входногонапряжения. При отсутствии шума и наличии допустимых погрешностей линейностиАЦП выходной код изменяется при изменении входного напряжения относительно егономинального значения на (±1/2) Δ. Шумы вызывают увеличениенеопределенности момента изменения выходного кода (шумы показаны на рис. 4 ввиде тонких линий).
Отметим, что точность АЦП не может быть лучшеего разрешающей способности. В ЦАП, напротив, технические требования поточности превосходят требования по разрешающей способности. Такое различиеобъясняется противоположным характером этих преобразователей:
выход ЦАП может с высокойточностью воспроизводить уровень, являющийся мерой точного числа, между тем каквыходной уровень АЦП определяется любой входной величиной в пределах кванта.
Наибольшим числомконтролируемых параметров обладают АЦП последовательного приближения, вкотором применяются ЦАП и компаратор в цепи обратной связи. Этипреобразователи, так же как и ЦАП, характеризуются дифференциальнойнелинейностью и немонотонностью в отличие от интегрирующихАЦП, у которых может наблюдаться только нелинейность. На рис. 5 показанавыходная характеристика идеального четырехразрядного АЦП, каждая ступенькакоторой постоянна по ширине и равна Δ. Тем не менее даже для идеальногоАЦП (всех типов) существует неопределенность, равная (±1/2)А относительновходного напряжения, соответствующего какому-либо выходному коду АЦП. Уреального АЦП (имеющего нелинейность) неопределенность возрастает до суммыпогрешностей квантования и линейности. Если ЦАП, применяемый в АЦП последовательногоприближения, нелинеен, то размер ступеньки отклонитсяот идеального значения и напряжения переходов сдвинутся от напряжении идеальныхпереходов. На рис. 10.30 приведена характеристика АЦП, внутренний ЦАП которогоимеет погрешности разрядов: δ1=(l/2)A(при коде 1000), δ2=(—1/2)А (при коде 0100), δ3=0(при коде 0010), δ4=0 (при коде 0001). Области рис. 10.30, отмеченныепунктирными кружками, свидетельствуют о том, что изменения в погрешностидифференциальной линейности (а следовательно, и в погрешности линейности)имеют место при переносах кода.Метод контроля параметровАЦП, который необходимо использовать в каждом конкретном случае, зависит отмногих причин. Одна из них—время преобразования контролируемого АЦП. Дляпреобразователей со временемпреобразования менее 100 мкс (преобразователи последовательного.приближения) могут быть использованы все методы контроля. Иначе обстоит делопри контроле «медленных» АЦП. Например, преобразователи интегрирующего типа,время преобразования которых составляет десятки и сотни миллисекунд, не могутбыть исследованы динамическим методом, предусматривающим наблюдения погрешностис помощью осциллографа.Простейший метод контроляпараметров АЦП заключается в применении образцового ЦАП для формированиявходного аналог