CC BY
204
УДК 621.317.3 Майоров А. В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОД СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ НА ОСНОВЕ «СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ»
При построении информационно-измерительных систем (ИИС), осуществляющих цифровую обработку аналоговых сигналов на основе "систем на кристалле" необходимо учитывать погрешности преобразования сигнала, вносимые трактом прохождения информационного сигнала [1] . Структурная схема канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы приведена на рис.1 и включает в себя входной аналоговый преобразователь (входной фильтр), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выходной фильтр.
Входной
аналоговый
сигнал
Входной аналоговый преобрааователь (фильтр)
АЦП
_______±________
Микроконтроллер
Выходной
ЦАП Выходной фильтр аналоговый
сигнал >
■^Драйвер интерфейса
Выходной цифровой _ сигнал
Рисунок 1 - Структурная схема канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы
Погрешности каждого из компонентов тракта можно условно разделить на статические и динамические погрешности. При построении ИИС, осуществляющих обработку медленноменяющихся сигналов, наибольший интерес представляют статические погрешности. Статические погрешности основных компонентов ИИС включают в себя аддитивную составляющую погрешности преобразования, мультипликативную составляющую погрешности преобразования, для АЦП и ЦАП также необходимо учитывать составляющие, обусловленные дифференциальной нелинейностью, интегральной нелинейностью и погрешностью квантования [1, 2] .
Погрешности АЦП, вызванные погрешностью квантования, дифференциальной и интегральной нелинейностью, как правило, в сумме не превышают 2...3 единиц младшего разряда (ЕМР), и при использовании АЦП с разрядностью выше 8 бит ими можно пренебречь.
Для определения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей компонентов канала обработки аналоговых сигналов ИИС была разработана система согласно структурной схеме, изображенной на рис. 2.
Рисунок 2 - Структурная схема системы для исследования погрешностей компонентов ИИС В качестве источника напряжения использован имитатор резистивных датчиков типа ВТ4048. В качестве вольтметров 1 - 4 использовался нановольт-микроомметр AGILENT TECHNOLOGIES 34420A. Для чистоты эксперимента к различным точкам схемы подключался один и тот же прибор. Для определения погрешностей АЦП и ЦАП к микроконтроллеру подключалась ЭВМ посредством интерфейса RS-485. Входной и выходной фильтры реализованы на микросхемах типа 1478ФН2У, являющихся фильтром нижних частот (ФНЧ) восьмого порядка [3] . Проведено две серии экспериментов, с микроконтроллерами (МК) типа MDR32F9Q [4] и C8051F410 [5] с использованием встроенных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей .
Полученные погрешности компонентов канала обработки аналоговых сигналов информационноизмерительных систем при нормальных климатических условиях (НКУ) сведены в табл. 1.
Таблица 1 - Основная погрешность компонентов информационно-измерительной системы при НКУ
Тип МК Составляющая погрешности Погрешность входного фильтра Погрешность АЦП Погрешность ЦАП Погрешность выходного фильтра Основная погрешность системы
C8051F410 Мультиплика-тивная 0,03425% 0,02385% 0,145% 0,134% 0,228%
Аддитивная 0,01мВ 2ЕМР 2,5мВ 0,01мВ 0,03мВ
MDR32F9 Мультиплика-тивная 0,03418% 0,02134% 0,0331% 0,127% 0,0849%
Аддитивная 0,01мВ 1ЕМР 1,2мВ 0,01мВ 0,02мВ
Как видно из таблицы 1, ИИС, построенная с использованием встроенных аналоговых блоков микроконтроллеров, имеет мультипликативную погрешность не более 0,23% и аддитивную погрешность не более 0,03мВ при нормальных климатических условиях. Это обусловлено в первую очередь высокой разрешающей способностью, низкой интегральной нелинейностью и низкой мультипликативной погрешностью аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Погрешность входного и выходного фильтров вызвана нелинейностью характеристик используемых компонентов и их нестабильностью во времени, и вносит незначительный вклад в общую погрешность системы.
Для определения дополнительных температурных погрешностей компонентов ИИС была использована термокамера ESPEC TABAI MC-711. Полученные температурные погрешности системы сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Температурная погрешность полной шкалы компонентов ИИС при изменении температуры от -50 до +50°С____________________________________________________________________________________
Тип МК Тип погрешности Погрешность входного фильтра Погрешность АЦП Погрешность ЦАП Погрешность выходного фильтра Основная погрешность системы
C8051F410 Мультиплика-тивная 0,002% 0,17% 0,11% 0,0015% 0,15%
C8051F410 Аддитивная + 0,005 . . -0,005мВ +7..-21ЕМР +10..-20мВ +0,005.. -0,005мВ +15..-37мВ
MDR32F9 Мультиплика-тивная 0,002% 0,11% 0,12% 0,0015% 0,11%
MDR32F9 Аддитивная +0,005.. -0,005мВ +4..-8ЕМР +7..-11мВ +0,005.. -0,005мВ + 8 . .-12мВ
Зависимости кода на выходах АЦП микроконтроллеров C8051F410 и MDR32F9Q от температуры при входном напряжении АЦП 500мВ представлены на рисунке 3, при входном напряжении 1700мВ - на рисунке 4 .
Рисунок 3 - Зависимость кода АЦП в начале шкалы от температуры
Рисунок 4 - Зависимость кода АЦП в конце шкалы от температуры
Как видно из таблицы 2, наибольший вклад в общую температурную погрешность системы вносят АЦП и ЦАП, погрешность остальных блоков ИИС незначительна, и ей можно пренебречь.
Одним из способов снижения температурной погрешности АЦП и ЦАП является использование датчика температуры и коэффициентов коррекции, заранее подобранных экспериментальным путем. Недостатком данного метода является необходимость подбирать коэффициенты коррекции для каждого конкретного экземпляра микроконтроллера, что ведет за собой усложнение процесса наладки на этапе производства и снижение надежности устройства вследствие повышения вероятности ошибок субъективного характера на этапе наладки.
Для снижения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности встроенного аналогоцифрового преобразователя микроконтроллера предлагается использование двух дополнительных внешних высокостабильных источников опорного напряжения с ультранизким температурным дрейфом, напряжение одного из которых должно иметь значение, близкое к началу шкалы АЦП, на основе которого рассчитывается коэффициент коррекции аддитивной составляющей погрешности, напряжение второго источника должно быть близко к максимальному входному напряжению АЦП для расчета коэффициента коррекции мультипликативной составляющей погрешности.
Рисунок 5 - Структурная схема ИИС, реализующей метод коррекции температурной погрешности АЦП Предлагаемый метод снижения температурной погрешности АЦП основан на расчете коэффициента коррекции начального смещения кода и коэффициента коррекции ошибки квантования по уровню. Дополнительный источник опорного напряжения 1 необходим для расчета коэффициента коррекции погрешности
коэффициента преобразования АЦП (мультипликативная погрешность), значение напряжения дополнительного источника опорного напряжения 1 рассчитывается по формуле:
Urefl _ UADCmax — \ Unoise 1 — \UADCmin\ , (1)
где Urefi - напряжение дополнительного источника опорного напряжения 1,
UADCmax - максимальное входное напряжение АЦП,
Unoise - максимальное значение напряжения шума,
UADCmin - максимальное значение напряжения смещения нуля АЦП.
Дополнительный источник опорного напряжения 2 необходим для учета начального смещения выходного кода АЦП, значение напряжения дополнительного источника опорного напряжения 2 рассчитывается по формуле:
Uref2 _ \Unoise\ + \ UADCmin\ , (2)
где Uref2 - напряжение дополнительного источника опорного напряжения 2.
Так как напряжение шума Unoise в большинстве случаев пренебрежимо мало по отношению к полезному сигналу (Unoise < 1 Uref /2R, где R - разрядность АЦП), в данном случае величиной Unoise можно
пренебречь. В качестве значения \UADCmin\ используется значение напряжения смещения нуля, соответствующее максимальному начальному смещению выходного кода АЦП, приводимому в технической документации на используемый микроконтроллер, рассчитывается по следующей формуле:
U __ ADCoXUref
U ADCmin 2!
(3)
где ADC% - значение выходного кода АЦП, соответствующее максимальному начальному смещению,
Uref - напряжение основного источника опорного напряжения,
R - разрядность АЦП
При этом уровень напряжения входного сигнала должен удовлетворять условиям (4), скомпенсированное значение кода АЦП рассчитывается по формуле (5).
( Uin < Uref
Uin < Urefl , ( 4)
Uin > Uref2
где Uin - значение входного напряжения АЦП ADC* _ [ADC ± ADCref2~] x K, (5)
где ADC* - скомпенсированное значение кода АЦП,
ADC - значение кода АЦП, полученное при оцифровке входного напряжения АЦП,
K - коэффициент коррекции мультипликативной составляющей погрешности преобразования В качестве значения ADCref2 используется значение кода, получаемого при оцифровке значения напряжения дополнительного источника опорного напряжения 2 (рисунок 5) . Коэффициент коррекции по-
грешности коэффициента преобразования АЦП рассчитывается по формуле б, в качестве значения ADC используется значение кода, полученного при преобразовании значения напряжения дополнительного источника опорного напряжения 1 (рисунок 5).
K_
b£r\/ADC
(б)
Температурные погрешности компонентов ИИС, реализованной согласно структурной схеме, изображенной на рисунке 5, сведены в таблицу 3.
Таблица 3 - Температурная погрешность полной шкалы компонентов ИИС при изменении температуры от -50 до +50°С
Тип МК Тип погрешности Погрешность входного фильтра Погрешность АЦП Погрешность ЦАП Погрешность выходного фильтра Основная погрешность системы
C8051F410 Мультиплика-тивная 0,002% 0,03% 0,11% 0,0015% 0,12%
Аддитивная + 0,005 . . -0,005мВ +3..-4ЕМР +10..-20мВ +0,005.. -0,005мВ +11..-22мВ
1986ВЕ93 Мультиплика-тивная 0,002% 0,02% 0,12% 0,0015% 0,09%
Аддитивная +0,005.. -0,005мВ + 1. .-3ЕМР +7..-11мВ +0,005.. -0,005мВ + 7 . .-11мВ
Заключение
Как видно из таблицы 3, предложенный способ снижения аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности аналого-цифровых преобразователей позволяет снизить аддитивную составляющую погрешности преобразования с +7..-21ЕМР до +3..-4ЕМР и мультипликативную составляющую погрешности преобразования 0,11...0,17% до 0,02...0,03%, и, как следствие, снизить аддитивную и мультипликативную составляющие общей погрешности информационно-измерительной системы. Это позволяет в ряде случаев отказаться от использования внешних аналого-цифровых преобразователей и необходимости предварительного подбора коэффициентов коррекции, благодаря чему снижается конечная стоимость системы, массо-габаритные параметры, повышается надежность системы вследствие снижения вероятности ошибок субъективного характера на этапе наладки, снижается погрешность преобразования системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Некоторые вопросы теории технической информации URL: http://grigam.narod.ru/inform/n1.htm
2. Гельманн М.М. Аналогово-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. -М.: Издательство стандартов, 1989. - 320 стр.
3. Спецификация микросхемы 1478ФН2У URL:http://www.nzpp.ru/documentation/767.pdf
4. Спецификация микроконтроллеров серии 1986ВЕ9х, К1986ВЕ9х и MDR32F9Qx
URL:http://milandr.ru/index.php?mact=Products,cntnt01,details,0&cntnt01productid=58&cntnt01return id=68
5. URL:http://www.silabs.com/Support%2 0Documents/TechnicalDocs/C8051F41x.pdf
