Экспериментальное определение информативности аналоговых каналов микроконвертеров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ АНАЛОГОВЫХ КАНАЛОВ МИКРОКОНВЕРТЕРОВ* В.И. Бойков, И.С. Волков, А.Н. Коровьяков Научный руководитель - д.т.н., профессор В.В. Григорьев

Получены оценки погрешностей аналого-цифровых преобразователей микроконвертеров, порождаемых процессами преобразования информации как непосредственно в аналого-цифровых преобразователях, так и под действием внешних случайных возмущений. Определена информативность аналоговых каналов микроконвертеров в зависимости от технической реализации схемы включения микроконвертеров.

Введение

В настоящее время в цифровых измерительных устройствах находят широкое применение микроконверторы. Проблема выбора подходящего микроконвертера, стоящая перед разработчиком измерительного устройства, часто упирается в выбор наименее шумного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконвертора (МК).

В данном исследовании проводится сравнительная характеристика информативности аналоговых каналов двух микроконвертеров ф. Analog Devices ADuC812 и ADuC841. Произведено сравнение характеристик аналого-цифровых преобразований при использовании нескольких вариантов схемотехнических исполнений аналоговой части. Получены числовые характеристики случайных процессов преобразования и определена оценка информативности микроконвертеров, что позволяет в процессе разработки измерительных устройств наиболее обосновано выбрать подходящий микроконвертер и схемотехническое исполнение.

Описание эксперимента

Для оценки информативности аналоговых каналов в ходе эксперимента на входы 12-и разрядных АЦП МК фирмы Analog Device ADuC812 и ADuC841 подается постоянный во времени и по уровню напряжения входной сигнал. Получаемый в результате работы аналого-цифровых преобразователей объем данных, представляющий собой некоторое случайное распределение, оценивается количественно (при помощи показателей качества) и качественно (графически).

Для количественного описания статистических свойств исследуемых массивов данных, а, следовательно, и МК, было решено использовать среднеквадратичное отклонение (СКО), определяемое, согласно [1], как

° X =

1 п

-4 ^ (* 42

n -17=1

*)2 , (1)

где - текущее значение измеряемой случайной величины, X - среднее значение из-

мерямой случайной величины; n - количество измерений.

Для оценки информативности АЦП МК используется эффективное число бит (ENOB), определяемое согласно [2] (с поправкой на условия данного исследования): ENOB=B - log2(a х), (2)

где B - номинальное число бит.

Для наглядности и качественного оценивания различных МК и схемотехнических решений в пакетах MS Office Exel и StatGraphics Plus построены следующие графики:

а) распределения отсчетов в порядке измерения,

б) эмпирической плотности распределения (гистограммы),

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

в) частных автокорелляционных распределений.

Для проведения экспериментов было выбрано несколько электронных измерительных устройств, в дальнейшем именуемых экспериментальные макеты (см. табл. 1).

Особенности ^^\^исполнения Макет Тип МК Операционный усилитель Наличие гальванической развязки ЛС

Макет №1 (ЕУЛЬ-ЛёиС81208 0шск81агТ Кеу;Б01) ЛБиС812Б8 9938 Б108672.1 ОР491 О 004 С240029 Нет

Макет №2 (Р0У2106 4 разъема) ЛБиС812Б8 0119 Б147229.1 ЬМ324Б 2Л1038 Нет

Макет №3 (Р0У2106 8 разъемов) ЛОиС812Б8 0119 Б147229.1 ЬМ324Б 2Л1038 Нет

Макет №4 (I Т-403 V 2.1) ЛОиС812Б8 0119 Б147229.1 ЛБ8552 Л 513 С9898 Есть

Макет №5 (Р0У2106 4 разъема) ЛОИС841 Б862-3 Б21 0510 628637.1 ЬМ324Б 2Л1038 Нет

Таблица 1. Исследуемые экспериментальные макеты

А1 МК ЛС ПК

Рис. 1. Структурная схема экспериментального макета: В1 - эталонный источник сигнала (батарея номиналом 1,5 В), А1 - аналоговый усилитель, МК - микроконвертер, ЛС - линия связи РБ-232, ПК - персональный компьютер

Макет №1 поставляется производителем в качестве тренировочного макета, его условно можно разделить на две части - заводскую и пользовательскую. В заводской части размещен непосредственно микроконвертер и схема «обвязки» его элементов, необходимых для работы. В пользовательской части размещены элементы, необходимые непосредственно для проведения эксперимента - ЯС-фильтр, переменный резистор и пр. Все остальные макеты выполнены на печатных платах меньшего размера та-

ким образом, что их нельзя условно разделить на заводскую и пользовательскую части. Все макеты отличаются между собой типом используемых микроконвертеров, операционными усилителями, наличием гальванической изоляции линии связи Я8-232 (ЛС), см. табл. 1, при сохранении общей структуры схемы, представленной на рис. 1.

Порядок проведения эксперимента

Опрос данных результата аналого-цифрового преобразования происходит с помощью разработанного ПО: ведомой микропрограммы и ведущей программы, запускаемой с ПК, и цифровой линии связи ЯБ-232, работающей по протоколу МоёВш ЯТИ, (см. рис. 2).

А

передача данных е ПК

г*--t

0,15 мс 210 мс

Рис. 2. Порядок проведения эксперимента

Пользователем задается номер опрашиваемого входа АЦП. При записи «1» в определенный регистр МАК происходит пуск аналого-цифровых (АЦ) преобразований, а именно, последовательно опрашивается установленный входной порт АЦП на номинальной частоте работы МК, при этом происходит серия из 60-70 АЦ преобразований (в зависимости от типа МК) величины напряжения на заданном входе АЦП в цифровой код, хранящийся в памяти микроконвертера.

По окончании серии преобразований статического напряжения (возможны отклонения значений, вызванные включением/отключением устройства) массив накопленных значений передается по запросу с ПК из МК в память персонального компьютера и сохраняется в файл с заданным пользователем именем. После этого происходит следующая серия последовательных АЦ преобразований-измерений входного напряжения и дописывается в тот же файл. Таким образом, снимается заданный пользователем массив измерений, кратный количеству измерений в каждой серии (60-70 отсчетов). По этому массиву измерений строятся перечисленные выше графики и рассчитываются указанные количественные оценки.

Обработка экспериментальных данные

В табл. 2 перечислены проведенные эксперименты и их количественные оценки, рассчитанные по формулам (1), (2). Из таблицы видно, что величина ENOB максимальна при использовании МК ADuC841 и ADuC812, размещенного на печатной плате (Макет №1) фирмой-производителем. Это убедительно свидетельствует о качестве исполнения остальных печатных плат. Согласно [3], при проведении гистограммного теста АЦП, стандартизированного IEEE, для получения качественных количественных оценок интегральной и дифференциальной нелинейности (по условиям проведения эксперимента их получить в данной работе не представляется возможным), а также показа-

теля ЕКОБ (эффективного числа бит) необходимо провести порядка полумиллиона измерений (стандарт проведении гистограммного теста), чтобы достигнуть доверительной вероятности 95 %. В нашем случае обработка такого массива информации оказалось бы затруднительной ввиду отсутствия специальных программных решений. Следовательно, выявление характерных графических качественных оценок является наглядным и простым решением, в том числе и для данной работы. В то же время оценка СКО также является информативной для изучения информационной, измерительной способности АЦП МК.

Порядок проведения эксперимента Номер макета Количество отсчетов в массиве данных СКО ЕКОБ

1 1 4900 4,29 9,90

2 5 60 5,69 9,49

3 5 1790 6,02 9,41

4 5 60 6,61 9,28

5 4 600 21,60 7,57

6 2 600 37,80 6,76

7 3 600 14,80 8,11

8 5 2400 4,90 9,71

Таблица 2. Данные экспериментов

На рис. 3-6 приводятся графики распределения отсчетов в порядке проведения экспериментов.

порядок отсчета

Рис. 3. Распределение отсчетов в 1-ом эксперименте

Согласно рис. 3, в МК серии ЛёиС812 заметны «сильные провалы» (между тремя «сплошными» линиями), по всей видимости, это происходит из-за некорректной работы младших разрядов АЦП.

цифровой код отсчёта

2290 п

к

1\

! .

/V

/ 1 д '

1\ д

1\ I I / \ \

/ I

1\ п 11

/1

11

(II

* , м

I \ I !' ! я V' \

М У11

м

* Г,'

N

11

/\ 11 \ И, ,1 1 /\

Л;

( *

||

м м 11

I I 1% Л I I I ! I I |/ '

Л II I

I /

2245 -

0 10 20 ♦ - Отсчёты 2-го эксперимента

30 40

■ Отсчёты 4-го эксперимента

50 60

порядок отсчёта

Рис. 4. Распределение отсчетов во 2-ом и 4-ом экспериментах

Рис. 5. Распределение отсчетов в 3-ем эксперименте

порядок отсчета Рис. 6. Распределение отсчетов со 2-го по 5-й эксперименты

Различия в поведении АЦП особенно заметны на рис. 6; видна большая «зашумленность» данных макета № 4, дрейф измерений макета № 3 и скачкообразный переход в значениях макета № 2, что свидетельствует о влиянии конкретного схемотехнического решения на процесс измерения. Стоит отметить, что измерения макетов №№ 2-5 были произведены с минимальным необходимым для переключения схем интервалом.

На рис. 7-9 приводятся гистограммы, построенные на основе экспериментальных данных.

Рис. 7. Гистограммы макетов №1 и №5

На рис. 7 заметны «провалы» в распределении выборок данных ЛВиС812 (Макет №1) в сравнении с выборками данных ЛёиС841 (Макет №5).

Рис. 8. Гистограммы макета № 5, эксперименты № 3 и № 4

Из рис. 8 ясно, что одна мода проявляется независимо от количества измерений. Абсолютная частота Абсолютная частота

Рис. 9. Гистограммы макетов №№2-5, эксперименты №№ 6, 7, 5, 8, соответственно

Из рис. 9 видно, что разброс выборок данных макета № 2 произошел вследствие скачка значения входного напряжения (см. рис. 6), а разброс выборок данных макета № 3 произошел вследствие «дрейфа» измерений во время снятия данных (см. рис. 6). На гистограмме макета № 4 основная масса значений расположена ближе к границам, что объясняется большим разбросом снятых измерений, произошедших, несмотря на

гальваническую изоляцию линии связи. Лучшие показатели у макета № 5, однако стоит отметить, что на нем отснято в 4 раза больше отсчетов.

На рис. 10 показаны наиболее характерные графики частной автокорреляции для экспериментов с наибольшим числом измерений. Наиболее характерными графиком обладают макеты, показавшие «худшие» измерения.

Значения частной автокорреляции 1

0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1

- Макет - №1 -

_ т

iV Li__Ж в

г I

1

Значения частной автокорреляции 1

0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1

- Макет! - №5. эксп еримент №3

|" i и. г 1 II. ,а_ЯЯ_

1 ■

10 15 20 25

шаг автокорреляции

10 15 20 25

шаг автокорреляции

Значения частной автокорреляции 1

0,6

0,2

-0,2

-0,6

-1

I - Макет J\ - Г°2 -

1

it.., " I — "

Значения частной автокорреляции 1

0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1

Макет №4

I

НА 1 - Я р. "

Г

Г

10

15 20 25

шаг автокорреляции

15 20 25 шаг автокорреляции

0 5 10

Рис. 10. Графики частной автокорреляции для макетов №№ 1,5,2,4

Заключение

В ходе экспериментов были исследованы микроконвертеры, отличающиеся различными схемотехническими решениями и типом АЦП. В результате проведенных измерений входного сигнала постоянного напряжения была собрана статистическая информация, получены количественные характеристики (СКО и БКОБ), построены графики. Это позволило наглядно оценить измерительную и информативную способность МК.

Литература

1. Катранов А.Г., Самсонова А.В. Компьютерная обработка данных экспериментальных исследований. [Текст]: учеб. пособие/ СПб.: Св. План, 2004. 124 с., ил.

2. Istvan Kollarl, Jerome J. Blair. Improved Determination of the Best Fitting Sine Wave in ADC Testing // Manuscript IM-4462, revised and resubmitted to IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, June 30, 2005.

3. Histogram Testing Determines DNL and INL Errors. // APPLICATION NOTE 2085: May 31, 2003 - [Ссылка в сети Интернет] http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/2085