CC BY
111
УДК 621.317.3
2014,. № 4(10)
9
А. В. Майоров
МЕТОД СНИЖЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВСТРОЕННЫХ ЦАП МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
A. V. Mayorov
METHOD OF DECREASE THE BASIC ERRORS OF THE DAC MICROCONTROLLERS INTEGRATED
Аннотация. Предложен метод снижения основных и дополнительных погрешностей преобразования встроенных цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров. Проведен эксперимент по определению времени коррекции выходного напряжения цифроаналоговых преобразователей при использовании предложенного метода. Исследованы интегральная нелинейность, аддитивная и мультипликативная составляющие основной погрешности преобразования цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров в составе информационно-измерительной системы, предназначенной для обработки медленноменяющихся сигналов. Проведен эксперимент, подтверждающий эффективность предложенного метода.
Abstract. A method is proposed to reduce the basic and additional errors conversion digital-to-analog converters. An experiment to determine the correction time of the output voltage digital-to-analog converters using the proposed method. Investigated the integral linearity additive component and a multiplicative component of the basic error of conversion digital-to-analog converters microcontrollers as part of the information-measuring system for handling slowly varying signals.
The experiment, confirming the effectiveness ofthe proposed method.
Ключевые слова: погрешность преобразования, цифроаналоговый преобразователь, информационно-измерительная система, обработка медленноменяющихся сигналов, микроконтроллер.
K e y words: transformation error, digital-to-analog converter, information-measuring system, processing of slowly varying signals, microcontroller.
Введение
В настоящее время существует проблема построения информационно-измерительных систем (ИИС) на основе «систем на кристалле», имеющих низкие значения основных и дополнительных погрешностей преобразования аналогового сигнала. В первую очередь это касается аппаратуры специального назначения. Примером может служить аппаратура, использующаяся в авиации, космической технике, аппаратура военного назначения и др. В [1] установлено, что наибольший вклад в общую погрешность системы вносят блоки аналого-цифрового (АЦП) и цифроаналогового (ЦАП) преобразователей, как при работе в нормальных климатических условиях (НКУ), так и при работе системы в расширенном температурном диапазоне.
Описание метода снижения основных и дополнительных погрешностей
преобразования ЦАП
Для снижения основных и дополнительных погрешностей встроенного цифроаналогового преобразователя микроконтроллера предлагается метод, отличающийся введением обратной связи с выхода цифроаналогового преобразователя на вход одного из свободных каналов аналого-цифрового преобразователя (рис. 1).
10
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Рис. 1. Структурная схема ИИС, реализующей метод коррекции основных и дополнительных погрешностей ЦАП
При этом используемый АЦП должен удовлетворять следующим условиям:
1. Разрядность АЦП должна быть выше разрядности корректируемого ЦАП на 2 и более единиц младшего разряда (ЕМР).
2. АЦП должен иметь аддитивную составляющую погрешности на 2 и более ЕМР ниже аддитивной составляющей погрешности корректируемого ЦАП (при пересчете аддитивной составляющей погрешности ЦАП в ЕМР).
3. АЦП должен иметь мультипликативную составляющую погрешности при пересчете в единицы младшего разряда на 2 и более ЕМР ниже мультипликативной погрешности корректируемого ЦАП.
4. АЦП должен иметь погрешность квантования по уровню не более 1-2 ЕМР.
5. АЦП должен быть монотонным, с дифференциальной нелинейностью не более ±1 ЕМР.
Для снижения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей встроенного АЦП микроконтроллера до приемлемых значений возможно использование метода, описанного в [1].
Предлагаемый метод снижения температурной погрешности ЦАП основан на расчете коэффициента коррекции выходного напряжения ЦАП и автоматической подстройки выходного напряжения на основе рассчитанного коэффициента. Вышеуказанный коэффициент рассчитывается на основе результата аналого-цифрового преобразования выходного напряжения ЦАП.
Для снижения инерционности системы, связанной с введением обратной связи, необходимо учитывать время отклика системы как на изменение информационной составляющей кода, передаваемого в ЦАП, так и на изменение значений погрешностей, вносимых цифроаналоговым преобразователем и выходным фильтром. Время коррекции выходного напряжения цифроаналогового преобразователя включает в себя четыре основных компоненты:
1. Время преобразования ЦАП.
2. Время преобразования фильтром нижних частот (ФНЧ) на выходе ЦАП.
3. Время преобразования АЦП.
4. Время коррекции информационного кода, передаваемого в ЦАП.
Описание эксперимента по определению времени коррекции выходного напряжения ЦАП
Для определения времени коррекции выходного напряжения цифроаналогового преобразователя разработана система согласно структурной схеме, изображенной на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема системы для определения времени коррекции выходного напряжения ЦАП
11
В качестве источника опорного напряжения использована микросхема типа AD780, представляющая собой высокостабильный источник опорного напряжения (изменение выходного напряжения во время работы не превышает ±1 мВ) с ультранизким температурным дрейфом и низким уровнем шумов [2]. Выходные фильтры 1 и 2 реализованы на микросхемах типа 1478ФН2У, являются фильтром нижних частот восьмого порядка [3]. В качестве осциллографа использована электронная вычислительная машина (ЭВМ) с осциллографической приставкой типа Handyscope HS3, реализующая функции двухканального осциллографа с частотой выборки 100 МГц при разрешении 8 бит, характерографа, анализатора спектра и генератора сигналов произвольной формы [4]. Проведены две серии экспериментов с микроконтроллерами (МК) типа 1986ВЕ92У производства ЗАО ПКК «Миландр» [5] и C8051F410 производства Silabs [6] с использованием встроенных аналоговых блоков АЦП и ЦАП микроконтроллеров.
При проведении эксперимента по определению времени коррекции выходного напряжения цифроаналогового преобразователя система работала по следующему алгоритму:
1. Передача команды с ЭВМ в микроконтроллер для записи нового значения в ЦАП1.
2. Фиксация изменения выходного напряжения ЦАП1 посредством осциллографа.
3. Аналого-цифровое преобразование выходного напряжения ЦАП1.
4. Расчет коэффициента коррекции и коррекция кода, передаваемого в ЦАП.
5. Запись скорректированного кода в ЦАП2.
6. Фиксация изменения выходного напряжения ЦАП2 посредством осциллографа.
7. Вычисление времени коррекции на основе значений, фиксированных осциллографом.
В ходе эксперимента установлено, что время коррекции выходного напряжения ЦАП
микроконтроллера типа 1986ВЕ92У составляет 8 мкс, микроконтроллера типа C8051F410 -15 мкс. Учитывая, что время преобразования ЦАП значительно меньше времени коррекции выходного напряжения ЦАП (время преобразования ЦАП МК типа 1986ВЕ92У составляет 5,2 мкс [5], время преобразования ЦАП МК типа C8051F410 составляет 10 мкс [6]), можно утверждать, что максимальное значение скорости обновления выходного напряжения и максимальная частота обновления выходного напряжения ЦАП будут определяться временем коррекции. Как следствие, при использовании предлагаемого метода необходимо учитывать время, затрачиваемое на коррекцию выходного напряжения.
Описание эксперимента по определению составляющих основной погрешности цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров
Для определения интегральной нелинейности, аддитивной и мультипликативной составляющих основной погрешности цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров разработана система согласно структурной схеме, изображенной на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема системы для исследования составляющих основной погрешности цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров
12
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
В качестве вольтметров 1 и 2 использовался нановольт-микроомметр AGILENT TECHNOLOGIES 34420A. Электронная вычислительная машина подключалась посредством интерфейса RS-485. Драйвер интерфейса реализован на микросхеме типа 5559ИН2Т, выходной фильтр - на микросхеме типа 1478ФН2У [3]. Проведены две серии экспериментов с микроконтроллерами типа 1986ВЕ92У производства ЗАО ПКК «Миландр» [5] и C8051F410 производства Silabs [6] с использованием встроенных аналоговых блоков микроконтроллеров.
Полученные значения интегральной нелинейности, аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров сведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения составляющих погрешности преобразования цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров
Тип МК Интегральная Мультипликативная Аддитивная
нелинейность, ЕМР составляющая, % составляющая, мВ
C8051F410 +6 . минус 6 0,17 5
1986ВЕ93У +5 . минус 4 0,11 3,2
Значения интегральной нелинейности, аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров при использовании предлагаемого метода сведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения составляющих погрешности преобразования цифроаналоговых преобразователей микроконтроллеров при использовании предлагаемого метода
Тип МК Интегральная Мультипликативная Аддитивная
нелинейность, ЕМР составляющая, % составляющая, мВ
C8051F410 +3 . минус 3 0,09 5
1986ВЕ93У +2. минус 1 0,07 2,7
Заключение
Как видно из табл. 2, предложенный метод снижения основной погрешности ЦАП МК позволяет снизить мультипликативную составляющую погрешности преобразования с 0,11...0,17 до 0,07...0,09 %. Предложенный метод позволяет снизить значение интегральной нелинейности ЦАП с ±6 ЕМР до +3.минус 2 ЕМР в случае использования МК типа C8051F410 и до +2.минус 1 ЕМР в случае использования МК типа 1986ВЕ92У. Аддитивная составляющая погрешности преобразования при использовании предлагаемого метода снизилась незначительно ввиду недостаточно высокой разрядности аналого-цифровых преобразователей, используемых в эксперименте. Как следствие, предлагаемый метод позволяет снизить основную погрешность информационно-измерительной системы в целом без применения внешних по отношению к микроконтроллеру цифроаналоговых преобразователей.
Список литературы
1. Майоров, А. В. Метод снижения температурной погрешности аналого-цифровых преобразователей информационно-измерительных систем на основе «систем на кристалле» / А. В. Майоров // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред.
Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. - Т. 1.
2. Спецификация на микросхему AD780. - URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD780.pdf (дата обращения: 08.09.2014).
3. Спецификация на микросхему 1478ФН2У. - URL: http://www.nzpp.ru/documentation/ 767.pdf (дата обращения: 15.08.2014).
4. Спецификация на осциллографическую приставку типа Handyscope HS3. - URL:
http://download.tiepie.com/Documents/Other/SpecSheet-HS3.pdf (дата обращения:
08.09.2014).
13
5.
6.
Спецификация на микроконтроллеры серии 1986ВЕ9х, К1986ВЕ9х и MDR32F9Qx. -URL: http://milandr.ru/index.php?mact=Products,cntnt01,details,0&cntnt01productid=58&
cntnt01returnid=68 (дата обращения: 15.08.2014).
Спецификация на микроконтроллеры серии C8051F41x. - URL:
http://www.silabs.com/Support %20Documents/TechnicalDocs/C8051F41x.pdf (дата обращения: 08.09.2014).
Майоров Артем Владиславович
соискатель,
Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Mayorov Artem Vladislavovich
applicant,
Penza State University
УДК 621.317.3 Майоров, А В.
Метод снижения основных погрешностей встроенных ЦАП микроконтроллеров /
А. В. Майоров // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 4 (10). - С. 9-13.
