CC BY
20
УДК 621.372
С.Г. Крутчинский, М.С. Цыбин
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ СМЕШАННЫХ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ
Для решения задачи адаптивного управления в рамках принципа самоорганизующихся оптимальных регуляторов с экстраполяцией в [1] предложена архитектура смешанных «систем на кристалле» (СнК) с многоканальным параллельным вводом непосредственно в область оперативной памяти собственно процессора цифровых данных, а в [2] - структура аналого-цифровых интерфейсов импульсно-потенциального типа, обеспечивающих указанный выше цикл преобразования с оценкой производной измеряемой величины.
В импульсно-потенциальных АЦ-преоб-разователях [2] физическая величина посредством коэффициента преобразования чувствительного элемента и опорного напряжения преобразуется в переменное напряжение и длительность импульсов, которые непосредственно счетчиком преобразуются в двоичный код. В этом случае длительность преобразования удваивается по сравнению с обычным АЦП последовательного приближения. Однако максимальная частота тактовых импульсов традиционных преобразователей определяется не быстродействием цифровой схемы пересчета, а длительностью переходных процессов в ЦАП и длительностью фронта аналогового ком-
паратора. Именно поэтому максимальная частота тактовых импульсов для существующих технологий (0,18-0,25 мкм) в импульсно-потенциальных АЦП в 7-10 раз больше по сравнению с АЦП поразрядного уравновешивания.
Можно также утверждать, что при реализации смешанных СнК в виде системы на подложке ^оР) или системы в корпусе (SiP), указанная тенденция будет не только сохраняться, но и позволит создать многоканальные СнК без перевода центрального процессорного элемента в <^1еер»-режим. Однако совокупность предложенного не позволяет исключить прецизионный ограничитель спектра, необходимый для обеспечения предельной точности АЦ-преобразования. В статье предлагается развитие подхода, направленного на повышение точности соответствующих АЦ-интерфейсов как сложно-функциональных блоков (СФ блоков) указанных СнК.
Существенное повышение точности вычисления при одновременном упрощении аналоговых портов ввода и преобразования аналоговых величин возможно при пересмотре принципа АЦ-преобразования, когда используется жесткая корреляция опорных источников (баз сравнения). На рис. 1 приведена архитектура контроллера
Рис. 1. Организация прямого доступа к памяти результатов АЦ-преобразования
и*
и~
Преобразование опорного напряжения £оп
кУ
в=0
кЛ
ЪУ
к/
в=0
к/ \ к/
*
Преобразование измеряемой величины
Рис. 2. Базовая временная диаграмма работы АЦП
смешанной СнК, ориентированная на обработку сигналов импульсных датчиков [2].
В этом случае преобразование длительности паузы (Тп) и длительности импульса (Ти) в цифровой код осуществляется в счетчиках СТ1 и СТ2 разрядности п+т с методической погрешностью, определяемой периодом тактовых импульсов (2?и) кварцевого генератора. При этом из структуры порта ввода исключаются собственно АЦП и ограничитель спектра входного аналогового сигнала. Потенциально высокая точность преобразования достигается низкой погрешностью Тп и Ти, вызванной действием параметров аналоговых компонентов схемы импульсного преобразователя. Важным свойством такой структуры является возможность прямого доступа к памяти контроллера при любом числе входных каналов, а также их параллельная работа вместе с МК.
Повышение точности АЦ-преобразования в анализируемой структуре (рис. 1) достигается интегрированием измеряемого напряжения е() на интервале формирования отрицательного импульса компаратора напряжения (рис. 2) [3].
Анализ схемы (рис. 3) при е(р) = е0 + V • t приводит к следующему результату:
е. С) = «,(». ) = «,('« +Т. /2);
т =т
£
в,(0 = :
Е, Т. -т
(1) (2)
(3)
(4)
" е (г) + Е ' т
IV/ оп п
где tc = tl + - ^1>/2.
Таким образом, жесткая корреляция длительности импульсов на каждом периоде (Т = Ти + Тп = t3 - t0) позволяет практически исключить влияние пассивных элементов на точность АЦ-преобразования. Для уменьшения параметрической чувствительности
Б%=-8ет:=Тп/(Ти-Тп) (5)
в структуре ОЗУ микроконтроллера (МК) счетчик Ст2 необходимо реализовать в двухканальном варианте, причем один из каналов должен работать в реверсивном режиме. Перевод счетчика из ре-
~(ех(П+Еоп) (5=0) >
► Импульсные последовательности иМ) к счетчикам
Рис. 3. Структурная схема АЦП импульсно-потенциального типа
жима суммирования в режим вычитания осуществляется отрицательным фронтом и(). Тогда в первом канале счетчика фиксируется длительность Т, а во втором - Т - Т. В этом случае чув-
п г и п ^ ^
ствительности измерения не превышает единицы, и вычисление е(р) не сопровождается увеличением погрешности, которая сохраняет свое методическое значение Ф^.
Можно показать, что основными факторами, влияющими на точность АЦ-преобразования, являются: статический коэффициент усиления (ц) и частота единичного усиления (/|) ОУ, входящего в состав интегратора (рис. 3), напряжение гистерезиса аналогового компаратора (ДЦ) и ЭДС смещения (Есм ) аналогового тракта. Что касается влияния параметров мультиплексора, то рассматриваемая структура предполагает использование специально спроектированных мультидифферен-циальных операционных усилителей (МОУ) [4], которые обладают потенциально высокими показателями качества (высокий (135дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала; высокий коэффициент усиления дифференциального сигнала, обеспечивающий глубокую обратную отрицательную связь; низкое значение дрейфа нуля; широкий диапазон рабочих частот как для синфазного, так и для дифференциального сигнала) и низкой величиной Е .
см
Потенциально высокие метрологические качества импульсно-потенциальных АЦП требуют специального подхода к схемотехническому проектированию его базовых узлов. В первую очередь взаимосвязь интервалов (2) невозможна без высококачественных проходных ключей (рис. 3).
Для современного этапа развития технологии полупроводниковых компонентов наиболее эффективное решение проблемы осуществляется на базе МОУ [4], когда дифференциальные входы 1 и 2 (см. рис. 3) используются автономно в режиме интегрирования Еоп, (5" = 1) или -(е(1) + Е ), (5" = 0).
Результаты моделирования 16-разрядного АЦП на системном уровне, с учетом влияния изложенных выше факторов, представлены на рис. 4.
Системный анализ АЦП показал, что доминирующими факторами, определяющими точность преобразования, является ЭДС смещения аналоговых узлов (аналоговый мультиплексор (АМ) и операционных усилитель (ОУ)), а также статический коэффициент усиления ОУ интегратора. Это и конкретизирует задачи схемотехнического проектирования указанных узлов. Следует отметить, что низкое влияние частоты единичного усиления ОУ интегратора (рис. 4) позволяет в рамках традиционной схемотехники создать энергоэкономичный ОУ с высоким (более 100 дБ) статическим коэффициентом усиления. Кроме этого допустимое напряжение гистерезиса аналогового компаратора (КН) в 100 мкВ позволяет также при его схемотехнической разработке существенно уменьшить потребляемую мощность.
На основе приведенных результатов возможно оценить точность АЦ-преобразования с учетом влияния указанных параметров активных элементов. Применение 16-разрядного АЦП для преобразования сигналов стандартных чувствительных элементов в диапазоне рабочих частот до 1 кГц и длительностью тактовых импульсов
Рис. 4. Диаграмма влияния дестабилизирующих факторов на точность АЦ-преобразования
Таблица 1
Результаты моделирования АЦП с учетом влияния дестабилизирующих факторов
ем, В Ги, мс т 1 и_расч» мс ¿1, мс Гп, мс Т 1 п _р ас ч> МС ех,В 8ех, % ехо,В ех,В 8е*о, %
0,238693 10,001 10 9,52 8,938 8,934 0,2379 0,3500 25,088 0,000 -
0,682557 10,001 10 27,715 7,457 7,456 0,6823 0,0360 24,448 24,427 0,086
1,065514 10,001 10 44,711 6,525 6,524 1,0654 0,0069 22,575 22,542 0,145
1,385876 10,001 10 60,921 5,908 5,907 1,3856 0,0214 19,797 19,749 0,243
1,641772 10,001 10 76,63 5,492 5,492 1,6420 0,0154 16,316 16,325 0,052
1,830381 10,001 10 91,99 5,223 5,221 1,8296 0,0427 12,298 12,212 0,707
1,949812 10,001 10 107,135 5,065 5,064 1,9491 0,0385 7,898 7,888 0,125
1,998735 10,001 10 122,17 5,003 5,002 1,9980 0,0367 3,259 3,255 0,117
1,976607 10,001 10 137,183 5,031 5,029 1,9758 0,0434 -1,476 -1,482 0,404
1,88361 10,001 10 152,282 5,1515 5,150 1,8828 0,0456 -6,168 -6,159 0,149
1,720895 10,001 10 167,546 5,3755 5,375 1,7210 0,0035 10,676 10,600 0,722
1,49019 10,001 10 183,101 5,731 5,730 1,4901 0,0033 14,855 14,839 0,112
1,193794 10,001 10 199,1 6,263 6,262 1,1937 0,0098 18,557 18,530 0,146
0,834191 10,001 10 215,762 7,058 7,057 0,8339 0,0293 21,622 21,590 0,148
0,41325 10,001 10 233,438 8,289 8,288 0,4131 0,0417 23,863 23,810 0,223
не менее 0,5 мкс позволяет обеспечить методическую точность преобразования. Так, при использовании ОУ со статическим коэффициентом усиления 100 дБ и частотой единичного усиления 2 МГц, аналогового компаратора с напряжением гистерезиса 25 мкВ, и ЭДС смещения аналогового тракта 25 мкВ и с учетом влияния широкополосного шума с частотой 2 кГц и амплитудой 2 мВ, погрешность измерения носит методический характер. Результаты моделирования этого АЦП при е = 2зт(4*^/*?)В приведены в табл. 1.
Из таблицы видно, что относительная погрешность измеряемой величины имеет максимальное значение (0,05 %) при минимальной величине производной измеряемой величины, что объясняется
соответствующими функциями чувствительностей: = ^ = ®г*ctg(coí), (6)
которые имеют максимальное значение при Г < 60мс.
Применение указанной методики позволило создать на основе компонентов радиационно-стойкого аналогового базового матричного кристалла (АБМК) [5] 14-разрядный АЦП, воспроизводящий структуру, показанную на рис. 3.
Эта разрядность определялась архитектурой и параметрами микроэлектронной системы в корпусе для задач автоматического управления и технической диагностики. Совокупность технологических ограничений потребовала ограничить ?и > 1мкс. Результаты моделирования этого АЦП в системе PSpice приведены в табл. 2.
Следует отметить, что согласно архитектуре SiP (см. рис. 1) в реальных системах исплользует-ся многоканальный ввод данных без мультиплексирования, поэтому указанное в табл. 2 время
Таблица 2
Основные характеристики АЦП на базе компонентов радиационно-стойкого АБМК
Разряд- к. Диапазон Максимальное Опорное Нелинейность Потребляемая
ность п МКС рабочих время выборки, напряжение, 5 мощность,
частот, кГц МС В мВт
14 1 1 20 2 1/2"+1 130
выборки определяет ее реальную производительность.
Полученные результаты позволяют сделать ряд важных выводов для развития современных микроэлектронных средств систем управления и технической диагностики:
повышение точности преобразования измеряемых величин достигается за счет суммирования е(р) и Еоп, что требует применение в ОЗУ МК реверсивного счетчика;
возможность параллельного многоканального ввода в область оперативной памяти позволяет повысить как быстродействие СнК в целом, так и ее производительность;
указанные свойства структуры АЦП не требуют остановки работы МК на интервале пре-
СПИСОК Л
1. Крутчинский, С.Г. Смешанные системы на кристалле для систем автоматического управления и технической диагностики: сб. трудов [Текст] / С.Г. Крутчинский. -МЭС-2006.-С. 217-222.
2. Крутчинский, С.Г. Аналого-цифровые интерфейсы микроконтроллерных адаптивных регуляторов циклического типа для объектов электроэнергетики [Текст]/С.Г. Крутчинский//Изв. РАН. Сер. Автоматика и телемеханика. -2006. -№ 5. -С. 163-174.
образования и применения в структуре аналогового интерфейса прецизионных ограничителей спектра.
Кроме этого, рассмотренная структура позволяет минимизировать воздействие широкополосного шума на точность преобразования. Так, при п = 16 и воздействии помехи с минимальной частотой 2 кГц и амплитудой менее 4 мВ погрешность преобразования не превышает свое методическое значение (2?и). Детальное исследование показывает, что в случае использования АБМК также существует возможность увеличения разрядной сетки АЦП до 20 при минимальной допустимой длительности тактовых импульсов (? ) 10 нс.
Статья подготовлена в рамках госконтракта № П507 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».
3. Крутчинский, С.Г. Аналого-цифровые интерфейсы смешанных систем на кристалле [Текст]/С.Г. Крутчинский, Р.Г. Баранов//Изв. ЮФУ -2008. -С. 163-174.
4. Крутчинский, С.Г. Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника [Текст] / С.Г. Крутчинский, Е.И. Старченко // Электроника и связь. -2004.-№ 20.-С. 37-45.
5. Каталог разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники[Текст]/Под ред. С.Г. Крутчинского. -Шахты, 2006.-87 с.
УДК 621.37
Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, В.Г. Манжула
КОМПЕНСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ
Дифференциальные операционные усилители (ОУ) с активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем [1] имеют одноканальную структуру передачи сигнала по цепи общей отрицательной обратной связи [2] и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ [3].
Существенный недостаток ОУ данного под-
класса состоит в том, что они имеют повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Ц ), связанной с несимметрией его архитектуры. Цель настоящей статьи - исследование возможностей предлагаемой архитектуры операционного усилителя [4], в которой создаются специальные условия для взаимной компенсации влияния абсолютных значений токов базы дополнительных транзисторов, а также их температурных и радиационных изменений
