CC BY
8УДК 621.3.087.92
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИНТЕГРИРУЮЩИХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
К.Ю. Пискаев
Пензенская государственная технологическая академия 440039, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11
В настоящее время ЕА-АЦП благодаря их уникальным метрологическим и техническим характеристикам являются стандартом де-факто при построении высокоточных измерительных систем, однако способы достижения этих характеристик зачастую не учитывают особенностей области применения. В статье проанализированы недостатки основных способов повышения точности ЕА-АЦП с точки зрения их использования в изделиях ответственного назначения.
Ключевые слова: изделия ответственного назначения, ЕА-АЦП, погрешность квантования, повышение точности ЕА-АЦП, весовое интегрирование.
Под изделиями ответственного назначения будем понимать сложные технические системы, примером которых могут служить изделия ракетно-космической техники (РКТ). Изделие под воздействием необходимых управляющих сигналов выполняет целевую функцию и в каждый конкретный момент времени может быть охарактеризовано многокомпонентным вектором параметров, описывающим тепловые, пневматические, гидравлические, химические, электрические и другие явления. Ключевой задачей определения текущего состояния изделия в рамках контроля и управления является задача измерения этих параметров с требуемой точностью и быстродействием, причем быстродействие чаще всего должно соответствовать скорости протекания контролируемых процессов, то есть режиму реального времени.
В соответствии с процессом измерения на первом этапе применяют датчики физических величин. Число параметров современных изделий ответственного назначения может составлять тысячи единиц, при этом их подавляющее большинство преобразуется в напряжение или ток, общий динамический диапазон которых достигает 120 дБ, а частота - сотен килогерц. Для обеспечения современных требований к единству и точности измерений на втором этапе применяют интегрирующие АЦП (ИАЦП), реализующие алгоритм так называемого сигма-дельта(£Д)-преобразования. Для данных преобразователей можно однозначно утверждать, что во всех случаях, когда удовлетворяются необходимые требования по быстродействию, они наиболее полно соответствуют совокупности требований по точности, надежности и простоте реализации. Поскольку отклонение от расчетного значения какого-либо параметра изделия может быть вызвано различными неисправностями, то на третьем этапе осуществляют анализ измерительной информации. Чем сложнее изделие, тем более разнообразные средства применяют для анализа существенно увеличивающихся объемов информации [1-6].
Сложность реализации подсистемы сбора измерительной информации в изделиях ответственного назначения обусловлена следующими факторами:
- большое количество разнообразных параметров (в зависимости от сложности изделия может применяться до нескольких тысяч датчиков) [3];
Кирилл Юрьевич Пискаев, старший преподаватель кафедры «Информационные технологии и системы».
- высокий уровень внешних широкополосных помех, характеристики которых зависят от конкретного изделия и даже конкретного режима работы этого изделия;
- широкий диапазон рабочих температур (от -40 до +80 °С) совместно с ограничением по мощности и массогабаритным размерам для бортовой аппаратуры [2-4].
Пропуски информации, потери в точности, временные задержки напрямую сказываются на правильности принимаемых команд управления и могут привести к необратимым последствиям. Поэтому применяемые алгоритмические и технические решения, обеспечивающие требуемые характеристики ИАЦП по точности и быстродействию, должны учитывать особенности предметной области.
Современные ЕД-АЦП (рис. 1), используемые в подсистеме сбора и обработки информации, представляют собой достаточно сложные устройства. Первоначально была создана базовая структура ЕД-АЦП, состоящая из одного интегратора, одноразрядного квантователя (компаратора), одного одноразрядного ЦАП и цифрового фильтра, выполняющего простую операцию усреднения [5, 7].
Рис. 1. Подсистема сбора и обработки измерительной информации на основе ЗД-АЦП:
ИУ - измерительный усилитель; Инт. - интегратор; ГТИ - генератор тактовых импульсов; ЦФ - цифровой фильтр;/0 - частота синхронизации квантователя;/ - частота дискретизации; к - коэффициент
передискретизации
Современный путь развития можно объяснить следующим: в ЕД-АЦП осущест-
вляется уравновешивание значения
|и^ последовательностью значений
о
п То т ТО
Ё | ио^1 и Ё ! ио Л, где их - постоянное преобразуемое напряжение, и0+ и и0- -
7=1 0
;=1 о
значения положительного и отрицательного опорных напряжений, п и т - целые числа, То - длительность такта синхронизации компаратора, Тп = (п + т)Т0 - интервал преобразования (рис. 2).
Так как их может принимать бесконечное число значений, а все остальные величины конечны, то процесс полного завершения преобразования именно за время Тп может произойти только в конечном числе случаев. В остальных случаях имеет место методическая погрешность ДЯ. Соответствующая этому математическая модель имеет следующий вид:
Тп
? п 0 т *и , -
| ^ - Ё!и оЛ+Е|ио ^ ={ ая
о ‘=1 о ]=1 о
R(t) - развертывающая функция, форма напряжения на выходе интегратора
Методическую погрешность AR в зарубежных источниках называют погрешностью квантования, и прогресс в этой области шел по пути ее уменьшения [5, 7].
Во-первых, увеличение разрядности квантователя и ЦАП пропорционально снизило погрешность квантования, при этом ЦАП стал по сложности равен прямому каналу преобразования.
Во-вторых, стали увеличивать количество интеграторов. Поскольку каждое дополнительное интегрирующее звено обеспечивает лучшее подавление шума квантования, в современных ЕД-АЦП (ADS1278, AD7195) используют до 5 каскадов интегрирования. Увеличение числа каскадов интегрирования свыше трех приводит к появлению неустойчивых состояний ИАЦП. Затраты времени на выход из такого состояния (процедура «сброса») приводят к пропускам информации.
В-третьих, уменьшения влияния шумов квантования на результат преобразования можно добиться уменьшением длительности T0. Для этого интегратор реализуется по схеме на переключаемых конденсаторах и формируется максимально возможный для данной элементной базы режим быстродействия системы «интеграторы - квантователь - ЦАП». Это означает, что в моменты, отмеченные на рис. 2 кружками, повышается неопределенность принятия решений. Поэтому считается, что шум квантования становится случайной величиной с равномерным законом распределения; как следствие, делается вывод о том, что результат преобразования может быть определен только в среднем.
Рассмотрим последние разработки Texas Instruments: измерительный преобразователь ADS131e08 при f0 = 2048кГц имеет ряд частот дискретизации 1, 2, 4, 8, 32, 64кГц; ADS1282 при f = 4096кГц обеспечивает дискретизацию от 250 до 4000Гц, что дает представление о применяемых в них ЦФ и коэффициентах передискретиза-
ции [6]. Каждое удвоение частоты дискретизации в квантователе увеличивает значение SNR на 3,02 дБ в соответствии с выражением SNR = 3,52 + 12,04N + 20lg(k), где N - разрядность АЦП, k - коэффициент передискретизации [7]. Важно отметить, что при реализации на ПЛИС цифровой фильтра k-го порядка только на умножение уйдет k*N2 элементов при N-разрядном сигнале.
Как указывалось, работа изделия ответственного назначения характеризуется очень высоким уровнем помех различного типа. В этом случае считать, что погрешность квантования имеет равномерный закон распределения и можно выбрать в соответствии с приведенной формулой ЕД-АЦП, обеспечивающий требуемое соотношение «точность - быстродействие», не представляется возможным. В принципе можно получить ряд аналогичных формул для различных законов распределения, но поскольку для каждого конкретного изделия и даже каждого конкретного режима работы изделия эти законы свои, то данный подход нерационален.
Таким образом, возникает задача достижения характеристик современных ЕД-АЦП на основе других методов и средств, свободных от указанных недостатков. Анализ показал, что наиболее перспективным для решения поставленной задачи является метод весового интегрирования, позволяющий целенаправленно изменять динамические характеристики ИАЦП [6]. Однако эффективное применение данного метода на практике требует решения ряда задач. Во-первых, известные структурные решения схем ИУ не обеспечивают неизменности характеристик собственных шумов при изменении входного сигнала согласно используемым весовым коэффициентам [9]. Во-вторых, прямое применение весовых функций (ВФ) для подавления внутренних шумов в ЕД-АЦП в аналоговом виде приводит к ограничению времени преобразования длительностью одного коэффициента ВФ. В-третьих, реализация ВФ в цифровом виде считается нецелесообразной из-за накопления погрешности квантования, поэтому известные работы в данном направлении отсутствуют. Таким образом, возникает комплексная задача разработки новых структур ИУ и исследования работы ЕД-АЦП по формированию погрешности квантования во временной области.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. - М.: Наука, 2006. - 410 с.
2. Материалы сайта НПП «МЕРА». Режим доступа: http://www.nppmera.ru/, свободный (дата обращения 01.10.2012).
3. Опыт модернизации информационно-измерительного комплекса испытательного стенда с применением цифрового регистратора сигналов / В.А. Лебига, А.В. Самсонов, О.М. Птушкин, C.Е. Боткин / Материалы сайта НПП «МЕРА». Режим доступа: http://www.nppmera.ru/appUcation/, свободный (дата обращения 01.10.2012).
4. Дмитриенко А.Г., Блинов А.В., Николаев А.В. Распределенная интеллектуальная система мониторинга состояния объектов РКТ // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс: Периодическое научное издание. Серия: Технические науки. - № 4. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. - С. 15-21.
5. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование / Пер. с англ. под ред. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.
6. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.
7. Шахов Э.К. ЕД-АЦП: Процессы передискретизации, шейпинга шума квантования и децимации // Датчики и системы. - 2006. - № 11. - С. 50-57.
8. Сайт компании Texas Instruments. Режим доступа: http://www.ti.com/, свободный (дата обращения 05.11.2012).
9. Юрманов В.А., Пискаев К.Ю., Тюрин М.В. Повышение точности интеллектуальных датчиков в составе систем мониторинга технически сложных объектов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс: Периодическое научное издание. Серия: Технические науки. - № 4. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. - С. 83-90.
Статья поступила в редакцию 29 ноября 2012 г.
IMPROVING ACCURACY SIGMA-DELTA ADC’S IN SYSTEMS FOR CRITICAL APPLICATIONS
K. Yu. Piskaev
Penza State Technological Academy
1a/11, Baidukova pr./Gagarina st., Penza, 440039
Now LA-ADC are the de facto standard in the construction of high-precision measuring systems, but to achieve these characteristics often do not address specific applications. In work the analysis the shortcomings of the main ways to increase the accuracy of LA-ADC, from the point of view of their use in products for critical applications.
Keywords: products for critical applications, LA-ADC quantization error, increase the accuracy of LA-ADC, weighted integration.
Kirill Yu. Piskaev, Senior Lecture.
