На рис. 7 приведена схема еще одного устройства автоматического контроля АЦП, где образцовый ЦАП используется в качестве формирователя входного воздей­ствия на контролируемый преобразователь. Формирователь кодов ФК обеспечивает формирование на цифровых входах образцового ЦАП любой требуемой кодовой ком­бинации. Выходное напряжение ЦАП подается на вход контролируемого АЦП. Цифровой код Ni с АЦП переда­ется в запоминающий регистр ЗРг после каждого преоб­разования. Цифровое слово Ni’, присутствующее на входе образцового ЦАП, вычитается в устройстве ВУ из кода Ni и цифровая ошибка ΔN=Ni—Ni’ подается на ЦАП с низкой разрешающей способностью, на выходе которого

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.

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 tвх и времени цикла преобразования tц, необходимого для отработки всех разрядов АЦП и получения на выходе соответству­ющего кода. Эти характеристики связаны соотношением tпр=tвх+tц, поэтому достаточно проконтролировать tгр и одну из оставшихся величин. Контроль времени tвх 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 tпр 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 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.

 [ПВ1]

Страницы: 1, 2, 3