CC BY
42
Раздел II. Сложнофункциональные блоки смещенных систем на кристалле
УДК 621.372
MX. Цыбин
-
РАДИАЦИОННО СТОЙКИХ СФ БЛОКОВ
Для многоканальных смешанных СнК предложен импульсно-потенциальный принцип АЦ-преобразования, позволяющий многократно уменьшить число прецизионных пассивных и аналоговых активных компонентов. Рассмотрены основные составляющие погрешности такого вида преобразования и показано, что потенциальная точность в ряде случаев превосходит традиционные АЦП. Предложены варианты развития структуры, показана целесообразность использования в таких интерфейсах мультидифференциальных опера.
на компонентах радиационно стойкого АБМК.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП); системы на кристалле (СнК); сложнофункциональные блоки (СФ блоки).
M.S. Tsibin
ANALOG-DIGITAL CONVERTER FOR STABLE FROM RADIATION COMPLEX-FUNCTION BLOCKS
For multichannel mixed SoC pulse-potential principle analog-digital conversions is offered, allowing repeatedly to reduce number of precision passive and analogue active components. The basic making errors of such kind of transformation are considered and is shown, that potential accuracy in some cases surpasses traditional digital-analog converter. Variants of development of structure are offered, the expediency of use in such interfaces of multidifferential operational amplifiers is shown. Results of modelling of basic scheme analog-digital converter on components stable from radiation ABMC are resulted.
Analog-digital converter (ADC); system on chip(SoC);complex-function blocks(CF blocks).
Создание смешанных систем на кристалле (СнК), обеспечивающих в конеч-
, ,
, -
цифровых интерфейсов, осуществляющих полный цикл преобразования аналоговых сигналов сенсорных элементов. Традиционный даже для мирового лидера (Texas Instruments) подход связан с воспроизведением в отдельных узлах таких сложнофункциональных блоков (СФ блоки СнК) традиционных этапов синфазного , , спектра частот и аналого-цифровое преобразование. Однако обеспечение даже невысокой точности преобразования требует применения большого числа прецизионных резистивных, емкостных и полупроводниковых компонентов. Именно поэтому необходимость мультиплексирования отдельных каналов существенно уменьшает производительность СнК на этапе ввода и АЦ-преобразования. В на-
стоящей работе предлагается решение указанной задачи на базе принципа частотного (импульсного) преобразования исходных физических величин (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема АЦП импульсно-потенциального типа
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 (2Ы) кварцевого генератора. При этом из структуры порта ввода исключаются собственно АЦП и ограничитель спектра входного аналогового сигнала. Однако потенциально высокая точность преобразования достигается низкой погрешностью Тп и Ти, вызванной действием параметров аналоговых компонентов схемы им-
( . 2).
Рис. 2. Базовая временная диаграмма работы АЦП
Важным свойством такой структуры является возможность прямого доступа к памяти контроллера при любом числе каналов изделия, а также их параллельная работа вместе с МК. Приводимые ниже исследования и направлены на решение этой основной задачи.
Повышение точности АЦ - преобразования в анализируемой структуре достигается интегрированием измеряемого напряжения ex(t) на интервале формирования отрицательного импульса компаратора напряжения (рис. 3) [2]. На интервале {o.to}
(S=1, uc (0) = 0, u(t) = Eon) осуществляется запуск схемы и формирование в интеграторе начальных условий, необходимых для измерения ex(t), поэтому время запуска схемы определяется из соотношения
to = т//Eon + eo (1 + k)/Eon/ (1)
где z=RC.
В период паузы {?0, ?2} (8=0, и (?) = -(ео + ех)) выполняется преобразование измеряемого напряжения е() в длительность отрицательного импульса (Т^
Т- '2)
ех ( )
причем, если на этом интервале ех(.?) изменяется со скоростью V
ех () = ех0 + ™, (3)
то измеряемая величина соответствует времени, определяемому «центром» паузы
ех () = ех (?1 ) = ех (?0 + Т /2)•
Этап формирования положительного импульса {?2, ?3} обеспечивает восстановление начальных условий (1), необходимых для измерения е(), и позволяет осуществить коррекцию результатов преобразования. Действительно,
Т = л-'и^и1 (4)
Е
оп
, (2) (4),
Т = Т«—(г, ех (?) = ТЕоп. (5)
ех() Т
, -
риоде (Т=Ти +Тп =(3-(0) позволяет практически исключить влияние пассивных эле-
ментов на точность АЦ-преобразования.
Для измерения величины в пределах ех = 0 можно на вход интегратора на этапе формирования паузы подавать сумму ех = ех + Еоп. В этом случае, как видно из (5)
Т - Т
е = Е —---------, (6)
хОПгр
п
что влечет за собой увеличение погрешности. Действистельно,
■%: = -Т =ТТ-, (7)
и п
поэтому условие т>п является обязательным. Для реализации такого случая можно использовать реверсивные счетчики, либо пользоваться арифметическими операциями в АЛУ собственно МК.
Истинные значения измеряемой величины находятся на середине длительности паузы (3), то можно произвести оценку производных. Производная измеряемой величины в таком случае будет определяться соотношением (8).
е(,) = ^0.-^. (8)
х 2 ? - ?
4 (1
Преобразование длительностей указанных импульсов в двоичный код (X)
осуществляется счетчиками Сч1 и Сч2, при этом абсолютная погрешность преобразования и в первом, и во втором случаях определяется периодом (24) генератора тактовых импульсов (ГТИ)
и является "односторонней". Относительная погрешность преобразования Тп и Ти определяется разрядностью используемых двоичных счетчиков п и т. При этом
где q - число используемых разрядов Сч1, соответствующих максимальной величине измеряемого напряжения.
Как следует из (5), параметрическая чувствительность ех($ определяется следующими соотношениями:
Следовательно, при п=т и минимальном значении измеряемой величины погрешность преобразования ех не превышает 1/2п и соответствует традиционным для АЦП оценкам.
Характер функциональной зависимости корректирующего интервала Ти (4)
,
параметрической оптимизации реализовать условие m=q и, следовательно, увеличить динамический диапазон измеряемой величины
без потери точности преобразования.
Потенциально высокие метрологические качества импульсно-потенциальных АЦП требуют специального подхода к схемотехническому проектированию его . (2) (4)
развития технологии полупроводниковых компонентов наиболее эффективное решение проблемы осуществляется на базе мультидифференциальных операционных усилителей (МОУ) [4], когда дифференциальные входы 1 и 2 (рис. 3) используются автономно в режиме интегрирования Еоп и
На базе компонентов радиационно стойкого АБМК [8] создана принципиальная схема АЦП, воспроизводящая структуру, показанную на рис. 3. Здесь аналоговый компаратор управляет состоянием двух аналоговых мультиплексоров АМ1 и
2, ( 1)
( 2). -
ции позволяет повысить потенциальное быстродействие АЦП за счет уменьшения . -
танные МОУ с повышенным коэффициентом ослабления синфазного сигнала, направленного на повышение точности формирования входного напряжения инте-
и
(9)
Т _ 2т ■ 2ї Т (е )_ 2” • 2ї Т (е )_ 2Ч ■ И (10)
и й’ птах\хті”) и* пті” \exmax) и’ \ш)
(11)
поэтому
Аех _АТ АТ„
и
п
(12)
х
и
п
ВВ _ 2”-<?
(13)
высококачественных проходных ключей 8 и Я (рис. 3). Для современного этапа
гратора [3]. При создании аналогового интегратора использовали специальный тип ОУ, позволяющий реализовать высокую точность этого преобразования.
В структурной схеме (см. рис. 3) в роли формирователя выступает АМ, который с периодичностью, задаваемой компаратором, переключает плечи ДК АМ для формирования прямоугольных импульсов (ик), по длительности которых и вычисляется измеряемая величина (5).
При моделировании разработанной схемы (рис. 3) используется 16-р^рядный синхронный счетчик, на базе Ж-триггеров, для измерения длительности импульса (Ти) и паузы (Т„).
1
Результаты моделирования АЦП при ех0=2зт(40*р1*1)В (Е0П=2В) с учетом
напряжения гистерезиса
№ измерения №„ Ти,мс Ъ,мс №о Тп,мс еХ0,В ех, В 5, %
1 1000 1 4,7095 1789 1,789 1,116 1,118 0,198
2 1000 1 7,239 1266 1,266 1,579 1,58 0,074
3 1000 1 9,412 1078 1,078 1,851 1,855 0,215
4 1000 1 11,457 1008 1,008 1,983 1,984 0,065
5 1000 1 13,463 1006 1,006 1,985 1,988 0,136
6 1000 1 15,509 1074 1,074 1,859 1,862 0,187
7 1000 1 17,675 1254 1,254 1,592 1,595 0,195
8 1000 1 20,181 1754 1,754 1,138 1,14 0,156
Приведенные погрешности в табл. 1 хорошо согласуются с точностью при.
Показанное выше устройство (см. рис. 3), в отличие от существующих, позволяет произвести вычисление производной измеряемой величины по соотношению (8). Результаты таких вычисления сведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты моделирования АЦП и вычисления производной измеряемой величины при ех0=2зш(40*р1*1)В
N измерения Ъ,мс ех, В е'х0, В/с ех, В/с 5, %
1 4,7095 1,118 - - -
2 7,239 1,58 0,1838 0,1826 0,649
3 9,412 1,855 0,1259 0,1268 0,717
4 11,457 1,984 0,0645 0,063 2,384
5 13,463 1,988 1,263-10-3 1,966-10-3 35,755
6 15,509 1,862 -0,0621 -0,0615 0,897
7 17,675 1,595 -0,1236 -0,1234 0,169
8 20,181 1,14 -0,1816 -0,1814 0,123
Сравнение результатов вычисления производной и результатов вычисления исходной величины показывает, что точность этих преобразований хорошо согласуется с погрешностью метода преобразования. Так, из табл. 2 следует, что измерение производных малых величин характеризуется большой погрешностью.
Полученные результаты позволяют сделать ряд важных для развития современных микроэлектронных средств систем управления и технической диагностики.
- , -потенциальных интерфейсов позволяет:
♦ обеспечить за счет частотного выхода простыми аппаратными средствами связь с достаточно удаленными сенсорными элементами;
♦ осуществлять регулярный мониторинг доминирующих параметров пре-
;
♦
области памяти микроконтроллера;
♦ существенно сократить число внеш них прерываний в СнК и повысить потенциальное быстродействие системы в целом;
♦ осуществить оценку производных.
Во-вторых, с точки зрения технологии производства не только микро-, но и мини-систем полученные результаты позволяют:
♦ полностью исключить из структур ы собственно микроконтроллера технологически сложные (не масштабируемые) аналоговые активные компо-
;
♦ в качестве опорных (б^овых) источников использовать только один природно-высокостабильный кварцевый резонатор;
♦ заметно упростить прямой доступ к ОЗУ источников основных сообщений и упростить прерывания по результатам измерения;
♦ полностью искл ючить из аналого-цифрового тракта преобразования ог-
( ), , АЦП и, следовательно, существенно уменьшить "компонентную нагрузку" на аналоговую часть сенсорного интерфейса и этим создать предпосылки для его производства, например, в радиационно стойком варианте;
♦
оборудования при разработке полной номенклатуры принципиальных схем и обеспечить производство широкого класса отечественных сме-.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крутчинекий СТ. Смешанные системы на кристалле для систем автоматического управления и технической диагностики // Сб. трудов МЭС-06, 2006. - С. 217-222..
2. Крутчинский СТ. Аналого-цифровые интерфейсы микроконтроллерных адаптивных регуляторов циклического типа для объектов электроэнергетики // Известия РАН "Автоматика и телемеханика". - 2006. - № 5. - C. 163-174.
3. Крутчинский СТ., Старченко ЕМ. Мультидифференциальпые операционные усилители и прецизионная микросхемотехника. Международный научно-технический журнал "Электроника и связь". - 2004. - № 20. - С. 37-45.
Цыбин Михаил Сергеевич
Технологический институт федерального государственного образовательного
учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный
университет» в г. Таганроге.
E-mail: mc_tsibin@gmail.com.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634311310.
Tsibin Mixail Sergeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of
Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: mc_tsibin@gmail.com.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 88634311310.
УДК 621.372
A.E. Титов
ДВУХКАНАЛЬНЫЕ ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКИХ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ
Рассматриваются результаты проектирования структурно-оптимальных принципиальных схем инструментальных усилителей с низким коэффициентом передачи синфазного напряжения. Показано, что использование в их структурах мультидифференциаль-ных операционных усилителей позволяет минимизировать влияние резистивных элементов на коэффициент передачи синфазного сигнала при реализации необходимого дифференциального коэффициента усиления. Приводятся результаты моделирования набора принци, .
Системы на кристалле (СнК); инструментальные усилители (ИУ); коэффициент передачи синфазного сигнала (Кен).
A.E. Titov
TWO-CHANNEL PRECISION TOOL AMPLIFIERS FOR RADIATSIONNO-PROOF SYSTEM ON CHIP
Results of designing of structurally optimum basic schemes of tool amplifiers with low factor of transfer of inphase pressure are considered. It is shown that use in their structures of multidifferential operational amplifiers allows to minimise influence of resistive elements on factor of transfer of an inphase signal at realisation of necessary differential factor of strengthening. Results of modelling of a set of the basic schemes realised on components of a radiating-proof ABMC are re sulted.
System on chip (SoC); tool amplifiers (TA); factor of transfer of an inphase signal.
