книги / Электронные цифровые приборы
..pdfРассмотренные вопросы относятся к статическим погрешностям, которые возникают при измерениях не изменяющихся в течение длительного времени сигналов или измерениях, проводимых через интервал, необходимый для затухания переходных процессов в: тракте. В практике исследований изменяющихся процессов с помо щью быстродействующих АЦП возникает дополнительно динами ческая погрешность, которая определяется как свойствами АЦП, так и характеристиками исследуемого сигнала. В линейных систе мах, к которым можно отнести и рассматриваемые здесь АЦП, до пускается раздельное рассмотрение статических и динамических составляющих погрешности измерительного процесса [35].
Вместе с тем необходимо учесть, что при использовании несколь ких преобразователей в составе информационно-измерительных систем (ИИС) динамическая погрешность одного преобразователя может изменить статическую погрешность ИИС в целом, поскольку последующий преобразователь трансформирует погрешность (ста тическую) предыдущей цепи.
Полную динамическую характеристику АЦП, ЦАП или их узлов; можно оценить передаточной Т (5), переходной § (() и импульсной Н(1) характеристиками. При этом выбирают наиболее удобную ме тодику анализа для данного конкретного случая. Зачастую ограни чиваются частными динамическими характеристиками, если они с достаточной полнотой определяют динамические свойства приборов: и проще в экспериментальной реализации. Так, например, для АЦП пользуются такими параметрами оценки, как время реакции 1Г (время установления выходного показания при скачкообразном изменении измеряемой величины), погрешность датирования отсче та (а, максимальная частота измерений Ртах. Частные динамиче ские характеристики охватываются полной характеристикой ил» являются ее функционалами, что можно проиллюстрировать таким примером. Пусть исследуемая часть АЦП представляет собой звено- 1-го порядка, тогда переходная характеристика
в ( ‘) = К .;( 1 - е ~ ‘,Т),
где Ка{ — номинальный статический коэффициент преобразования, (при а> = 0).
Отсюда, задаваясь наибольшим допускаемым отклонением 8р. выходного сигнала АЦП от установившегося значения, можно опре делить время установления 1Гиз выражения
1, = Т \п |
. |
|
гР |
Для оценки динамики быстродействующих АЦП некоторое рас пространение получила частная характеристика, называемая апер турным временем Тап. Суть Т лпи вызываемой им апертурной погреш ности близка к погрешности датирования и заключается в следую щем. При измерении изменяющегося во времени сигнала О Ц) имеется интервал неопределенности или апертурное время Тт; пока зания прибора будут соответствовать какому-то промежуточному
значению исследуемого процесса— между моментами начала и конца апертуры. Зная величину Тт (это может быть, например, время запоминания УВХ) и форму исследуемого сигнала, следует
по-разному оценивать |
апертурную погрешность на |
крутых и поло |
|||
гих участках сигнала. |
Так, например, для синусоидального |
сиг |
|||
нала вблизи перехода через нуль (крутой участок) |
апертурная |
по |
|||
грешность |
|
|
|
|
|
|
бал = Д^ап№т ^ |
ап» |
|
|
|
а на пологом участке вблизи амплитуды сигнала |
|
|
|||
- Д |
= ап |
- 1 = - ( - ^ - ) ' / 3 1 |
|
||
Вопрос оценки динамических погрешностей более полно рассмот |
|||||
рен в работе [45]. |
|
|
|
|
|
|
1.3. КЛАССИФ ИКАЦИ Я А Ц П |
|
|
||
Классификация |
призвана облегчить |
изучение АЦП различных |
|||
типов, выбор подходящего варианта пользователем и, более того, направлять исследователя на создание устройств с новыми важными свойствами. К настоящему времени предложено немало классифи каций, которые отражают различные этапы развития цифровой измерительной техники и разный подход к выбору классификацион ных признаков, Рассмотренная классификация основана на неболь шом наборе классификационных признаков, представляющих ин? терёс, в основном, для пользователя цифровых приборов. Классифи кация охватывает практически все известные типы электронных цифровых приборов.
Основную функцию АЦП выполняет преобразователь аналог— код (см. Пр. 2 на рис. 1.1); в качестве первого классификационого признака в связи с этим выбран способ формирования разрядов в процессе преобразования аналоговой величины в код. Наибольшее распространение в АЦП получили временной и пространственный способы формирования разрядов.
При временном способе разряды цифрового кода образуются последовательно один за одним и в таком же порядке поступают по однопроводной линии в следующие узлы прибора. К таким АЦП от носят, например, устройства с время-импульсным преобразованием, в которых постоянное напряжение преобразуется в пропорциональный ему временной интервал, а затем с помощью измерителя интерва лов — в цифровой код, так что к моменту окончания временного интервала завершается отработка последнего разряда.
Аналого-цифровые преобразователи с пространственным спосо бом формирования разрядов позволяют определить все разряды кода одновременно. Цифровой код передается по многопроводной (по числу разрядов) линии связи.
К АЦП данного класса относятся электромеханические устрой ства, содержащие диск или маску с кодовым рисунком, дискримина
торы, позволяющие установить значение каждого разряда (1 или 0), и узел считывания. Кодовый рисунок на диске или маске соответст вует выбранному коду (чаще — код Грея). Маска или код смещаются пропорционально преобразуемой аналоговой величине относительно неподвижного узла считывания. Большое распространение получи ли подобные АЦП в преобразователях угол—код [30]. Электронный
вариант пространственного АЦП, включающий 2" — 1 схем сравне ния (п — число разрядов), на входы которых подается исследуемое
напряжение и напряжения от 2" — I источников опорных сигналов (например, делителей напряжения), отличается от соседних по уров ню на 1 квант. АЦП обеспечивает длительность преобразования, равную времени срабатывания одной схемы сравнения и дешифра тора.
При выборе прибора по способу формирования разрядов учиты вают, что в данном случае является более важным — экономия оборудования или выигрыш во времени. Компромисс в известной степени получается в АЦП со смешанным, пространственно-времен ным способом формирования кода.
Вторым классификационным признаком, во многом определяю щим эксплуатационные свойства АЦП, является тип выбранного кода.
Двоичный код применяют, как правило, в АЦП поразрядного кодирования с временным и пространственным разделением разря дов.
Единичный код * применяют в таких широко распространенных АЦП с временным разделением разрядов, как время-импульсный (с помощью последовательности счетных импульсов измеряется вре менной интервал) или частотно-импульсный (ведется подсчет коли чества импульсов в течение калиброванного временного интервала). Единичный код применяется и в АЦП с пространственным разделе нием разрядов, работающих по методу считывания, на этапе опре деления уровня сигнала с разрешением в один квант (единица младшего разряда). Дальнейшее преобразование единичного кода в код, удобный для наблюдения или обработки в ЭВМ, осуществляет ся дешифратором.
Двоично-десятичный код широко используется в отсчетных уст ройствах цифровых приборов; двоичные разряды группируются в тетрады, каждая из которых представляет соответствующий деся
тичный разряд.
Отраженный код, в частности код Грея, чаще всего используют при пространственном разделении разрядов, благодаря чему обеспе чивается снижение ошибки неоднозначности до единицы младшего разряда, тогда как при позиционном двоичном коде ошибка может достигать 50 % максимального значения.
Коды с избыточностью, например троичный с цифрами 1, 0 , 1, коды Фибоначчи и другие специальные коды применяют иногда для
* Здесь имеется в виду та модификация единичного унитарного кода, когда число представляется пакетом единиц.
уменьшения динамических погрешностей, вызванных переходными процессами, для защиты от одиночных сбоев и др. Ценой избыточ ности, как известно, обеспечивается помехозащищенность.
В АЦП со смешанным пространственно-временным способом формирования разрядов возможно использование различных кодов. Так, в интегрирующих цифровых вольтметрах типа НР3460А (США) и ТН6567 (Япония) отрабатывается код двумя группами разрядов с помощью единичного кодирования, а связь между группами раз рядов осуществляется десятичным масштабированием.
Третий классификационный признак связан с тем, какое значе ние определяется прибором — мгновенное или усредненное. Узлы, соответствующие этим назначениям прибора УВХ или ИНТ, пока заны на рис. 1.1.
Определение мгновенного значения сигнала выполняется в про цессе дискретизации с помощью быстродействующего аналогового устройства выборки и хранения с последующим квантованием; в сверхбыстродействующих АЦП с пространственным (одновременным) формированием разрядов нет явно выраженного узла выборки и хранения — процессы запоминания мгновенного значения и кванто вания совмещены. При использовании самых быстрых устройств выборки и хранения не удастся полностью избавиться от некоторо го паразитного усреднения и связанной с этим погрешностью, опре деляемой недостаточно малым временем запоминания и характером исследуемого сигнала.
Впреобразователях усредненных (интегральных) значений на узел ИНТ возлагают функции усреднения (выделение постоянной составляющей при наличии в сигнале помехи переменного тока); в специальных преобразователях проводится определение средневыпрямленного, среднеквадратичного значений тока или напряжения, преобразование активной или реактивной энергии и мощности и т. п.
Взависимости от способа организации процесса преобразования (четвертый классификационный признак), выполняющегося узлом управления (см. рис. 1. 1), различают АЦП циклического и следя
щего действия.
В приборах циклического действия отдельные этапы преобра зования выполняются по программе, например: сброс предыдущего показания, включение входного сигнала на вход преобразователя (ИНТ или УВХ), собственно квантование и заполнение счетных ре гистров, установка показаний в индикаторном устройстве или (и) выдача кода на регистратор или ЭВМ. Частота повторений циклов преобразования (частота дискретизации в приборах с УВХ) устанав ливается внутренним синхронизатором или синхронизирующими сигналами, поступающими извне. Снятие показания в приборах циклического действия допускается лишь во время определенного такта, называемого тактом индикации. В приборах, имеющих спе циальные регистры памяти в отсчетном устройстве, показания мож но снимать в любое время.
В АЦП следящего действия переход к следующему преобразова нию происходит под воздействием управляющих сигналов, выраба
тываемых при изменении параметров исследуемого сигнала: уровня сигнала на величину, превышающую порог чувствительности; дли тельности периода на величину больше единицы квантования и др. Показания прибора все время готовы к снятию и передаче в другие устройства прибора системы.
Приборы следящего действия можно отнести к устройствам с адаптивной дискретизацией, поскольку частота преобразований или частота корректирования выходного кода согласуется с формой сигнала. Принципиально адаптивную дискретизацию можно реали зовать и в приборах циклического действия. При этом, например, частота повторения циклов преобразования устанавливается авто матически по данным соседних измерений.
Рассмотренные выше классификационные признаки интересуют, главным образом, пользователя цифровых приборов. Однако уже пришлось, и в дальнейшем, при более детальном изучении АЦП, придется в еще большей степени пользоваться определениями и на именованиями АЦП, отражающими принцип действия АЦП (пятый классификационный признак). Привлечение этого признака оказа лось необходимым вследствие большой распространенности этих наименований среди разработчиков и пользователей цифровых при боров *.
1.4.ЭКСПЛУАТАЦИОННЫ Е СВОЙСТВА ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ
Кчислу наиболее важных эксплуатационных параметров любого изделия или прибора относится его надежная работа. Обеспечивается надежность в процессе проектирования, конструирования и произ водства. К сожалению, приходится иногда убеждать, что под разра боткой понимается создание надежно работающего изделия в огово ренных условиях эксплуатации, а высокая надежность является лишь показателем правильности выполненной разработки.
Получившая достаточно широкое распространение методика определения надежности, основанная на использовании Я-характе- ристик комплектующих элементов, не позволяет с достаточной пол нотой оценить надежность проектирующего устройства. Параметр
Яотражает интенсивность случайных и окончательных отказов, пе риод которых начинается после этапа ранних отказов и длится вплоть до начала износа или старения. Как правило, сведениями о моментах раздела этих этапов не располагают и, следовательно, не известно, соответствует ли взятая из справочников величина Яреаль ному этапу работы изделия. Эксплуатируют аппаратуру чаще всего до наступления значительных изменений параметров вслед ствие износа и старения. Отметим также, что определение величины
Ятребует длительных испытаний, что не всегда осуществимо. При
менить в новом изделии перспективные комплектующие изделия
* В книге рассматривается ограниченное количество наиболее распростра ненных АЦП, отличающихся принципом действия, а именно АЦП время-импульс- ного типа, поразрядного уравновешивания, конвейерного типа и др.
зачастую невозможно, так как нет достоверных данных об их ^.-ха рактеристиках, поэтому приходится пользоваться ориентировочны ми сведениями. Следует также учесть, что ^-характеристики уста навливаются для определенных режимов работы изделия, часто не совпадающих с реальным режимом работы в проектируемом при боре.
Все это в значительной степени поясняет то, что на практике ре зультаты расчетов надежности на основе ^.-характеристик, даже с учетом новейших рекомендаций *, не подтверждаются. Можно с уверенностью сказать, что при наличии оборудования, отвечающего требованиям передовой технологии в вопросе обеспечения надеж ной работы, основную роль играют знания, опыт и добросовестность творческого и производственного коллектива, создающего новое изделие. Вместе с тем можно сформулировать рекомендации общего характера, которые не должны быть упущены из виду.
1. При выборе комплектующих изделий предпочтение отдается изделиям с лучшими ^.-характеристиками, а также принимается в расчет авторитет предприятия, выпускающего эти изделия.
2. Расчет, проектирование и испытание аппаратуры производят так, чтобы обеспечить нормальную работу с учетом предельных тем пературных режимов, при неблагоприятном разбросе параметров комплектующих изделий и питающего напряжения, наличии помех, ухудшении параметров комплектующих изделий вследствие старе ния или износа.
Так, при использовании интегральных микросхем возможно нарушение логики работы из-за помех, вызванных влиянием проме жуточных состояний переключаемых автоматов, паразитными им пульсами, появляющимися вследствие разброса времени срабаты вания ИС, вызванных импульсными помехами источника питания. Нарушение нормальной работы возникает вследствие увеличенной реактивности (емкости, индуктивности) печатного монтажа и др. Установление и устранение причин, вызывающих нарушение нор мальной работы, имеют прямое отношение к мерам по повышению надежности изделия, хотя и не связаны с ^-характеристиками ком плектующих элементов.
Методика расчета элементов схемы прибора по наихудшему со четанию их параметров для всего срока службы комплектующих (т. е. с учетом старения) обеспечивает значительный запас по надеж ности в ущерб другим эксплуатационным характеристикам устрой ства (экономичности, нагрузочной способности и др.). Однако пы таясь использовать более строгие с экономической точки зрения расчеты (например, вероятностно-статистический [33]), наталкива ются на необходимость знания законов распределения и дисперсий параметров комплектующих элементов в течение срока службы, что зачастую неосуществимо.
* В некоторых методиках рекомендуется скорректировать значение X, введя коэффициенты, учитывающие переход от условий испытаний к условиям эксплу атации, электрическую нагрузку, внешние факторы, импульсный или непрерыв ный характер работы и др.
3.Проводятся тщательные испытания отдельных узлов и прибора
вделом в предельных условиях эксплуатации или даже в условиях, несколько превышающих предельные, что позволяет не только про верить правильность выбора схемы прибора, но и выявить элементы, находящиеся на грани внезапного отказа.
4.Вводятся, как правило, системы контроля и диагностики при бора, позволяющие быстро установить причину отказа и устранить
ее.Дело в том, что, выполнив все перечисленные выше рекомендации
по обеспечению высокой надежности, разработчики тем не менее не имеют гарантии в том, что в результате скрытого дефекта не про изойдет отказ в каком-то узле.
Технологичность узлов и удобство эксплуатации прибора явля ются важными характеристиками, определяющими в значительной степени серийноспособность прибора; при этом исходят из предпо ложения, что целесообразность серийного выпуска обоснована ос новными метрологическими характеристиками нового измеритель ного устройства.
Большинство электронных измерительных и вычислительных устройств используют в лабораторных или цеховых условиях, где нет больших перепадов температуры, влажности, практически от сутствуют сильные вибрации и т. д. Однако есть немало случаев, когда аппаратура эксплуатируется в суровых климатических усло виях и при больших вибрациях (в экспедиции, при работе в наруж ных отсеках самолетов, в тропическом климате и т .п .). Разработка приборов, предназначенных для работы в подобных условиях, ус ложняется в связи с необходимостью обеспечить автономное питание, ограничением в выборе элементной базы и др. В некоторых случаях целесообразно разработать, наряду с массовым лабораторным при бором, отдельную модель, приспособленную для работы в большом температурном диапазоне, повышенной влажности, больших вибра циях и ускорениях.
Качество изделия как комплексная характеристика рассмотрен ных выше метрологических и эксплуатационных характеристик должно находиться под неослабным контролем и непрерывно улучшаться. С этой целью крайне важно, чтобы предприятие-изго товитель вело наблюдение не только за сбытом, но и за эффектив ностью эксплуатации своей продукции потребителем.
ГЛА ВА 2
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕ — КОД
2.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП
Рассмотрим основные характеристики АЦП; в некоторых случаях потребуется и уточнение определений характеристик.
Погрешность. В цифровых приборах напряжения погрешность выражается, как правило, двухчленной формулой, в которой сгруп-
пнрованы соизмеримые аддитивные и мультипликативные состав ляющие. Предполагается при этом, что погрешность нелинейности, хоторую нельзя скорректировать, была доведена в процессе разра ботки и выпуска до значения меньше указанных составляющих. Различают дифференциальную нелинейность, свойственную АЦП с компенсацией измеряемого сигнала внутренним (например, АЦП кодово-импульсного типа). Если в результате расстройки элементов ЦАП в какой-то из его частей шкалы шаг квантования превысит 1 ЕМР * (величина отклонения от 1 ЕМР и является оценкой диф ференциальной нелинейности), то аналоговая величина чуть меньше 4, к примеру, может быть представлена кодом 2, или величина чуть больше 2 — кодом 4; код 3 оказывается пропущенным. В отличие от дифференциальной нелинейности, интегральная нелинейность — это отклонение шкалы преобразователя от прямой линии, присуща «сем типам АЦП, в том числе, интегрирующим.
В процессе эксплуатации обеспечивается минимальная погреш ность вслед за проведением калибровок, проводимых вручную или автоматически с помощью встроенной микро-ЭВМ. При выборе из мерительного прибора пользователю не следует стремиться иметь большой запас по точности, что обычно приводит к лишним услож нениям.
Порог чувствительности и динамический диапазон. В приборах, йредназначенных для измерения малых уровней постоянного напря жения, необходимо добиваться минимального порога чувствитель ности, приближающегося вплотную к теоретическому пределу уровня помех входной цепи. Если к тому же на вход прибора требуется по дать и большое напряжение, которое должно быть измерено без ис кажений, то возникает требование обеспечения большого динамиче ского диапазона — отношения максимального значения напряжения х порогу чувствительности. При этом решается ряд довольно слож ных задач: снижение погрешности и нелинейности прибора, устра нение перегрузок во входном каскаде (особенно сложно для широко полосных трактов) и др.
Длительность цикла измерения, быстродействие. В приборах циклического действия длительность цикла задается специальным уалом синхронизации. Минимальная длительность цикла преобразо вания зависит от выбранного принципа действия прибора, комплек тующих изделий, технологии и конструкции узлов прибора. Кроме того, следует учесть длительность некоторых процессов, входящих в измерительный цикл: установка нуля и калибровка, передача ре зультатов измерения на отсчетное устройство, в ЭВМ или регистратор н др. Вместе с тем применение отсчетного устройства с памятью, в котором результат предыдущего измерения индицируется в течение всего цикла измерения, позволяет обходиться без интервала инди кации — устройство всегда готово для снятия показания. Для уве личения защищенности от высокочастотных помех во входных це пях приборов используют фильтрующие звенья или весовые функ-
* ЕМР — единица младшего разряда.
и
ции; при неудачном выборе схем и элементов средств фильтрация время установления показаний удлиняется вплоть до единиц и де сятков секунд. Часто быстродействие измерительного прибора оце нивается максимально возможным числом измерений или преобразо ваний в секунду.
В приборах следящего действия целесообразно оценивать быстро действие по скорости отработки единицы младшего разряда ЕМР или по скорости отслеживания изменяющегося сигнала во входных це пях прибора, включая УВХ. Специфична ситуация при работе с АЦП конвейерного типа, состоящего из нескольких, последовательно включенных, преобразователей. Здесь длительность измерительного цикла определяется временем срабатывания лишь первого преобра зователя. При совместной работе АЦП постоянного напряжения е другими преобразователями последние могут оказаться определяю щими, например, преобразователь переменного напряжения в по стоянное (среднего или среднеквадратичного значения) удлиняет цикл до нескольких секунд. Неверный учет длительности времени установления переходного процесса или крутизны изменения ис следуемого сигнала ведет к недопустимо большим динамическим погрешностям измерения (ГОСТ 8009—78).
Входное сопротивление, входной ток. Вполне обоснованно стрем ление к увеличению входного сопротивления преобразователей на пряжения в код, в особенности когда приборы предназначены для измерения напряжения источников со значительным внутренним сопротивлением. Если принять, что погрешность измерения из-за падения на внутреннем сопротивлении не более а, то соотношение
между входным сопротивлением |
прибора # вх и внутренним сопро |
тивлением источника сигнала |
определяется выражением |
^1 ^
Следует различать приборы с постоянным и изменяющимся в процессе преобразования входным сопротивлением. При наличии на входе резисторного делителя его сопротивление и определяет входное сопротивление прибора, которое остается неизменным. В приборах, во входную цепь которых включена последовательная отрицательная обратная связь, входное сопротивление получается разным для различных моментов измерительного процесса. В перво начальный момент, когда напряжение в цепи обратной связи не рав но измеряемому, входной ток может оказаться чрезмерно большим. Для таких приборов следует оговорить начальное значение входного тока, длительность переходного процесса и значение входного тока к моменту, когда напряжение обратной связи сравняется с измеря емым. Иногда фирмы в рекламных целях приводят только послед нюю величину; между тем в некоторых случаях малое начальное входное сопротивление может быть причиной значительной динами ческой погрешности. В некоторых случаях входной резистор выклю чается, с тем чтобы получить максимально возможное входное сопро тивление при открытом входе прибора.
Если в цифровом приборе компенсирующее напряжение на входе вырабатывается с помощью ЦАП, возможны случаи, когда измеряе мое напряжение меньше компенсирующего и, следовательно, встреч ное напряжение может существенно нарушить измерительный про цесс. Для приборов с подобным входным устройством должны быть указаны максимальное значение ЭДС, развиваемое ЦАП на вход ных зажимах, и максимальное значение тока короткого замыкания этого источника.
В АЦП с транзисторным каскадом на входе бывает целесообраз ным оценивать прибор по максимальному току, потребляемому входной цепью.
Этот ток определяется в основном температурным изменением обратного тока коллектора 1сво и статического коэффициента уси ления рст; ток не зависит от величины входного напряжения и, сле довательно, эквивалентное значение входного сопротивления не является в этом случае характерным параметром прибора.
В широкополосных АЦП, рассчитанных на согласованную на грузку 50—75 Ом, для обеспечения большого входного сопротивле ния при работе с низкочастотными сигналами в месте съема сигнала (например, на печатной плате) целесообразно использовать выносной активный пробник.
Подавление помех нормального и общего вида. Эти параметры характеризуют способность АЦП обеспечивать правильные измере ния при подведении ко входу прибора смеси сигнала постоянного напряжения (информационного) и переменного, чаще всего наводки сетевого напряжения (помехи), и уменьшать влияние помехи пере менного напряжения, проникающей синфазно на оба входных за жима прибора. В первом случае речь идет о подавлении помехи нормального вида, достигаемом с помощью фильтров и весовых функций; во втором — о подавлении помехи общего вида, что свя зано с изучением путей проникновения синфазной помехи и исполь зованием схемных и конструктивных приемов для повышения эф фективности подавления.
Оценки параметров будут проводиться при рассмотрении наи более распространенных типов АЦП.
2.2. АЦП С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ
Принцип действия основан на том, что фиксированное значение измеряемого напряжения преобразуется в пропорциональный ему временной интервал, который с помощью АЦП время — код преоб разуется в число. Как правило, оба преобразовательных процесса совмещены, так что к концу формирования интервала готово уже число — результат. АЦП время-импульсного типа при использо вании соответствующих структур, схем узлов и технологии могут обеспечить высокую точность, помехоустойчивость и надежность, а также удобны в эксплуатации; по сравнению с другими АЦП от носятся к менее быстродействующим. В зависимости от способа фор мирования временного интервала различают АЦП мгновенного значения и усредняющие или интегрирующие.