Название : Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров.

Рассмотрены особенности схем построения, параметры и электрические характеристики быстродействующих интегральных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, обладающих скоростью преобразования сигналов от 10 в 7 степени до 10 в девятой степени бит в секунду. Описаны методы и принципы построения измерителей статических и динамических параметров преобразователей, приведены конкретные типы измерительной аппаратуры, предназначенной для контроля и измерения их параметров. Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области разработки и применения цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, а также аппаратуры для измерения и контроля их электрических параметров.

При разработке и изготовлении микросхем ЦАП и АЦП необходимо учитывать большую номенклатуру входящих компонентов и повышенные по сравнению с цифровыми микросхемами требования к их электрическим параметрам по точности и температурной стабильности; нерегулярность структуры и наличие в ней узлов, выполняющих линейные и нелинейные функции обработки сигналов (разрядные ключи, усилители, компараторы, источники опорного напряжения, резисторные матрицы, схемы управления и запоминания). Возникает много проблем технологического характера, которые связаны с обеспечением требований по точности и контролю геометрических размеров многослойных микроструктур, формируемых на пластине кремния.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров - Марцинкявичус А.-Й.К. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Значительные трудности возникают при уменьшении случайной погрешности при измерении изменяющейся во времени величины. При этом для получения наилучшей оценки измеряемой величины применяют процедуру фильтрации. В зависимости от вида используемых преобразований различают линейную и нелинейную фильтрацию, где реализация отдельных процедур может быть осуществлена как аппаратными, так и программными средствами.

Фильтрация может применяться не только для подавления помех, наводящихся на входные цепи передачи аналогового сигнала, а при необходимости и для ограничения спектра входного и восстановления спектра выходного сигнала (об этом уже говорилось ранее). При необходимости могут применяться фильтры с перестраиваемой частотой среза.

Применение автоматической коррекции систематических погрешностей можно рассматривать как проведение адаптации канала к его собственному состоянию. Применение современной элементной базы позволяет сегодня реализовывать входные цепи, адаптирующиеся к характеристикам входного сигнала, в частности, к его динамическому диапазону. Для такой адаптации необходим входной усилитель с управляемым коэффициентом передачи. Если по результатам предшествующих измерений удалось установить, что динамический диапазон сигнала мал по сравнению с диапазоном входного сигнала АЦП, то коэффициент усиления усилителя увеличивают до тех пор, пока динамический диапазон сигнала не будет соответствовать диапазону работы АЦП. Таким образом удается добиться минимизации погрешности дискретизации сигнала и, следовательно, повышения точности проведения измерений. Изменение коэффициента усиления сигнала на входе учитывается при этом программно при обработке результатов измерений цифровым контроллером.

Критерии оценки соответствия динамического диапазона сигнала и диапазона работы АЦП будут рассмотрены далее, будут рассмотрены и способы адаптации входного канала к частотным свойствам входного сигнала.

2.4. Устройства выборки-хранения

При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала на некоторый промежуток времени. Для этого используются устройства выборки и хранения (УВХ). Другое название таких устройств – аналоговые запоминающие устройства (АЗУ). Их работа осуществляется в двух режимах. В режиме выборки (слежения) они должны повторять на своем выходе входной аналоговый сигнал, а в режиме хранения – сохранять и выдавать на свой выход последнее входное напряжение, предшествующее моменту перевода устройства в этот режим.

В простейшем случае при построении УВХ для осуществления этих операций нам потребуется лишь конденсатор С ХР и ключ S (рис. 2.12.а ). При замкнутом ключе напряжение на конденсаторе и на выходе УВХ будет повторять входное. При размыкании ключа напряжение на конденсаторе, величина которого будет равна входному напряжению на момент размыкания ключа, будет сохраняться на нем и передаваться на выход УВХ.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image030_18.jpg" width="457" height="428 src=">

Р и с. 2.12. Функциональная схема УВХ (а ) и временные диаграммы ее работы (б )

Очевидно, что при практической реализации уровень напряжения на конденсаторе в режиме хранения не будет оставаться постоянным (рис. 2.12.б ) из-за его разрядки током на нагрузку и разрядки за счет собственных токов утечки . Для того чтобы напряжение конденсатора как можно дольше оставалось на допустимом уровне на выходе УВХ устанавливают повторитель на ОУ (DA 1 на рис. 2.12.а ). Как известно повторитель обладает большим входным сопротивлением. Это «развязывает» по сопротивлению цепь конденсатора и цепь нагрузки и существенно уменьшает разряд конденсатора через нагрузку. Для уменьшения собственных токов утечки нужно выбрать конденсатор с качественным диэлектриком. И конечно, для того, чтобы напряжение на конденсаторе как можно дольше оставалось постоянным его необходимо взять как можно большей емкости.

При переводе УВХ из режима хранения в режим слежения напряжение на конденсаторе достигнет текущего уровня входного напряжения не сразу (рис. 2.12.б ). Время, за которое это произойдет, будет определяться временем зарядки конденсатора – это время называют временем захвата или временем выборки. Конденсатор будет заряжаться тем быстрее, чем большим будет ток его заряда. Для того чтобы этот ток не ограничивался выходным сопротивлением предыдущего каскада на входе УВХ тоже устанавливают повторитель на ОУ (DA 2 на рис. 2.12.а ). В данном случае используется то свойство, что повторитель имеет низкое выходное сопротивление. Конденсатор будет заряжаться тем быстрее, чем меньше его емкость. Таким образом, условия выбор значения емкости конденсатора для оптимальной работы УВХ в разных режимах противоречивы – емкость конденсатора должна выбираться каждый раз исходя из конкретных требований к длительности режимов его работы.

Входной повторитель управляет емкостной нагрузкой. Поэтому для его построения используются операционные усилители, обладающие стабильностью при единичном коэффициенте усиления и большой емкостной нагрузке.

При использовании УВХ в АЦП время хранения, как правило, ненамного превышает время преобразования АЦП. При этом номинал конденсатора выбирается таким образом, чтобы получить наилучшее время захвата при условии, что спад напряжения за время одного преобразования не превышает величины младшего разряда АЦП.

Поскольку диэлектрические потери в запоминающем конденсаторе являются одним из источников погрешностей лучше всего выбирать конденсаторы с диэлектриком из полипропилена, полистирола и тефлона. Слюдяные и поликарбонатные конденсаторы имеют уже весьма посредственные характеристики. И совсем не следует использовать керамические конденсаторы.

К точностным характеристикам УВХ относится напряжение смещения нуля, которое обычно не превышает 5 мВ (если применяется ОУ с биполярными транзисторами на входе; ОУ с полевыми транзисторами на входе, имеют более значительное смещение нуля) и дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости конденсатора хранения (для различных УВХ от 10-3 до 10-1 В/c нормируется при емкости С ХР = 1 000 пФ). Величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости С ХР. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

К динамическим характеристикам УВХ относят: время выборки, показывающее как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения с заданным уровнем допуска; и апертурную задержку – период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа.

Существует множество интегральных схем выборки-хранения, обладающих хорошими характеристиками. Ряд схем включает в себя внутренний конденсатор хранения и гарантирует максимальное время выборки в десятки или сотни наносекунд при точности 0,01 % для сигнала величиной 10 В. Величина апертурной задержки для популярных УВХ не превышает 100 нс. Если нужны более высокие рабочие характеристики, можно использовать гибридные и модульные УВХ.

В качестве примера практического построения УВХ на рис. 2.13 приведена функциональная схема БИС К1100СК2 (LF398). Схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему – с выхода повторителя на операционном усилителя DA 2 на вход повторителя на усилителе DA 1.

Датирование" href="/text/category/datirovanie/" rel="bookmark">датирования отсчета АЦП при измерении изменяемого сигнала, в многоканальных измерительных системах для одномоментного снятия данных с различных датчиков, устранения высокочастотных выбросов в выходном сигнале ЦАП при смене кода. Эти и другие применения УВХ будут более подробно рассмотрены в дальнейшем материале.

3. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1 Общие способы реализации

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называются устройства служащие для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине пропорциональный значению кода.

ЦАП широко применяются для связи цифровых управляющих систем с исполнительными устройствами и механизмами, которые управляются уровнем аналогового сигнала, в качестве составных частей более сложных аналого-цифровых устройств и преобразователей.

В практике в основном находят применение ЦАП для преобразования двоичных кодов, поэтому далее речь будет вестись только о таких ЦАП.

Любой ЦАП характеризуется, прежде всего, своей функцией преобразования, которая связывает изменение входной величины (цифрового кода) с изменением выходной величины (напряжения или тока) рис. 3.1.

Р и с. 3.1. Функция преобразования (передаточная характеристика) ЦАП

Аналитически функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом (для случая, когда выходной сигнал представлен напряжением):

U ВЫХ = (U МАХ / N МАХ) N ВХ, где

U ВЫХ – значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N ВХ, подаваемому на входы ЦАП.

U МАХ – максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N МАХ.

Величину К ЦАП, определяемую отношением U МАХ/N МАХ, называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Его постоянство для всего диапазона изменения аргументов определяет пропорциональность изменений величины выходного аналогового сигнала соответствующим изменениям величины входного кода. Именно поэтому, несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину N ВХ представить через значения весов его разрядов функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом:

U ВЫХ = КЦАП, где

i – номер разряда входного кода N ВХ;

A i – значение i -го разряда (ноль или единица);

U i – вес i -го разряда;

n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Данный способ записи функции преобразования во многом отражает принцип функционирования большинства ЦАП, по существу заключающийся в проведении суммирования долей аналоговой выходной величины (суммирования аналоговых мер), каждая из которых пропорциональна весу соответствующего разряда.

В целом, по способу построения выделяют ЦАП со взвешенным суммированием токов, со взвешенным суммированием напряжений и на основе кодоуправляемого делителя напряжения.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования токов в соответствии со значениями разрядов входного кода N ВХ суммируются сигналы генераторов токов и выходной сигнал представлен током. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. 3.2. Значения токов генераторов выбираются пропорциональными весам разрядов двоичного кода, т. е. если значение тока наименьшего по величине генератора тока, соответствующего младшему разряду входного кода, равно I , то значение каждого следующего должно быть больше предыдущего в два раза – 2I , 4I , 8I . Каждый i -й разряд входного кода N ВХ управляет i -м ключом S i. Если i -й разряд равен единице, то соответствующий ключ замыкается и тогда ток генератора, у которого величина тока пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного тока преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного тока I N ВХ.

Р и с. 3.2. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования токов

N S 1, S 2 и S 4 в схеме на рис. 3.2 будут замкнуты, а ключ S 3 – разомкнут. Таким образом, в выходном узле будут суммироваться токи равные I , 2I и 8I . В сумме они сформируют выходной ток I ВЫХ = 11I , т. е. величина выходного тока I N ВХ = 11.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений в соответствии со значениями разрядов входного кода N ВХ выходной сигнал ЦАП формируется из значений генераторов напряжения и представляется напряжением. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. 3.3. Значения генераторов напряжений задаются в соответствии с двоичным законом распределения – пропорционально весам разрядов двоичного кода (Е , 2Е , 4Е и 8Е ). Если i -й разряд входного кода N ВХ равен единице, то соответствующий ему ключ должен быть разомкнут, при этом генератор напряжения, у которого величина напряжения пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного напряжения U ВЫХ преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного напряжения U ВЫХ ЦАП пропорциональна величине входного кода N ВХ.

Р и с. 3.3. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений

Например, если значение входного кода N ВХ равно одиннадцати, т. е. в двоичной форме он представляется как (1011), то управляемые соответствующими разрядами ключи S 1, S 2 и S 4 в схеме на рис. 3.3 будут разомкнуты, а ключ S 3 – замкнут. Таким образом, в выходной цепи будут суммироваться напряжения равные Е, 2Е и 8Е . В сумме они сформируют выходное напряжение U ВЫХ = 11I , т. е. величина выходного напряжения U ВЫХ будет пропорциональна значению входного кода N ВХ = 11.

В последнем случае ЦАП реализуется как управляемый кодом делитель напряжения (рис. 3.4).

Р и с. 3.4. Построение ЦАП на основе кодоуправляемого делителя напряжения

Кодоуправляемый делитель состоит из двух плеч. Если разрядность реализуемого ЦАП равна n , то количество резисторов в каждом плече равно 2n . Сопротивление каждого плеча делителя меняется с помощью ключей S . Ключи управляются выходным унитарным кодом дешифратора Dc , причем ключи одного плеча управляются им напрямую, другие – через инверторы. Выходной код дешифратора содержит количество единиц, равное значению входного кода N ВХ. При этом не сложно понять, что коэффициент деления делителя всегда будет пропорционален величине входного кода N ВХ.

Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации. Для структуры ЦАП со взвешенным суммированием напряжений невозможно реализовать генераторы напряжений, которые бы допускали режим короткого замыкания на выходе, а также ключи, не имеющие остаточных напряжений в замкнутом состоянии. В структуре ЦАП на основе кодоуправляемого делителя каждое из двух плеч делителя состоит из очень большого числа резисторов (2n ), включает в себя такое же число ключей для управления ими и объемный дешифратор. Поэтому при таком подходе реализация ЦАП получается очень громоздкой. Таким образом, основной структурой, применяемой на практике, является структура ЦАП со взвешенным суммированием токов.

3.2 ЦАП со взвешенным суммированием токов

Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов. В простейшем случае такой ЦАП состоит из резистивной матрицы и набора ключей (рис. 3.5).

Р и с. 3.5. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы

Число ключей и число резисторов в матрице равно количеству разрядов n входного кода N ВХ. Номиналы резисторов выбираются пропорциональными весам двоичного кода, т. е. пропорциональными значениям ряда 2i, i = 1… n . При присоединении к общему узлу матрицы источника напряжения и замыкании ключей через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам благодаря соответствующему выбору их номиналов будут распределены по двоичному закону, т. е. пропорциональны весам разрядов двоичного кода. При подаче входного кода N ВХ включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в токовом узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N ВХ.

В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.

Р и с. 3.6. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы и с перекидными ключами

Общим недостатком обоих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную погрешность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. Т. е. относительная точность подгонки больших по величине резисторов должна быть очень высокая. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более десяти это обеспечить достаточно трудно.

От всех этих недостатков свободны структуры на основе резистивных R- 2R матриц (рис. 3.7).

Р и с. 3.7. Реализации ЦАП на основе R -2R резистивной матрицы

и с перекидными ключами

Можно убедиться, что при таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза, т. е. их значения распределены по двоичному закону. Наличие в матрице только двух номиналов резисторов, отличающихся в два раза, позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений, без предъявления высоких требований по относительной точности подгонки.

3.3 Параметры и погрешности ЦАП

Система электрических характеристик ЦАП, отражающая особенности их построения и функционирования, объединяет не один десяток параметров. Ниже приведены основные из них, рекомендованные для включения в нормативно-техническую документацию как наиболее часто встречающиеся и наиболее полно описывающие работу преобразователя в статическом и динамическом режимах.

1. Число разрядов – количество разрядов входного кода.

2. Коэффициент преобразования – отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной функции преобразования.

3. Время установления выходного напряжения или тока – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно войдут в зону шириной равную весу младшего значащего разряда (МЗР), симметрично расположенную относительно установившегося значения. На рис. 3.8 представлена переходная функция ЦАП, показывающая изменение выходного сигнала ЦАП во времени при смене кода. Кроме времени установления она характеризует и некоторые другие динамические параметры ЦАП – величину выброса выходного сигнала, степень демпфирования, круговую частоту процесса установления и т. д. При определении характеристик конкретного ЦАП данная характеристика снимается при смене кода с нулевого значения на код, равный половине его максимального значения.

4. Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам.

Существуют и другие параметры, характеризующие исполнение ЦАП и особенности его функционирования. В их числе: входное напряжение низкого и высокого уровня, ток утечки на выходе, ток потребления, диапазон выходного напряжения или тока, коэффициент влияния нестабильности источников питания и прочие.

Важнейшими параметрами для ЦАП являются те, которые определяют его точностные характеристики, которые определяются нормированными по величине погрешностями.

Р и с. 3.8. Определение времени установления выходного сигнала ЦАП

Прежде всего, необходимо четко различать статические и динамические погрешности ЦАП. Статическими погрешностями называются погрешности, остающиеся после завершения всех переходных процессов, связанных со сменой входного кода. Динамические погрешности определяются переходными процессами на выходе ЦАП или его составных узлов, возникшими вследствие смены входного кода.

Основные типы статических погрешностей ЦАП определяются следующим образом.

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке шкалы функции преобразования. Для ЦАП, работающих с внешним источником опорного напряжения, определяется без учета вносимой этим источником погрешности. Измеряется в единицах младшего разряда преобразования.

Напряжение смещения нуля на выходе – напряжение на выходе ЦАП при нулевом входном коде. Измеряется в единицах младшего разряда. Определяет параллельный сдвиг действительной функции преобразования и не вносит нелинейности. Это аддитивная погрешность.

Погрешность коэффициента преобразования (масштабная) – мультипликативная погрешность, связанная с отклонением наклона функции преобразования от требуемого.

Нелинейность ЦАП – отклонение действительной функции преобразования от оговоренной прямой линии. Главным требованием к ЦАП с этой точки зрения является обязательность монотонности характеристики, определяющая однозначность соответствия выходного и входного сигнала преобразователя. Формально требование монотонности заключается в постоянстве на всем рабочем участке характеристики знака производной.

Погрешности нелинейности в общем случае разделяют на два типа – интегральные и дифференциальные .

Погрешность интегральной нелинейности – максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной. Фактически при этом рассматривается усредненная функция преобразования. Определяют эту погрешность в процентах от конечного диапазона выходной величины. Интегральная нелинейность возникает из-за различных нелинейных эффектов, которые отражаются на работе преобразователя в целом. Они наиболее ярко проявляются при интегральном исполнении преобразователей. Например, она может быт связана с различным при разных входных кодах уровнем разогрева в БИС каких-то нелинейных сопротивлений.

Погрешность дифференциальной нелинейности – отклонение реальной характеристики от идеальной для смежных значений кода. Эти погрешности отражают немонотонные отклонениями реальной характеристики от идеальной. Для характеристики всей функции преобразования выбирается максимальная по модулю локальная дифференциальная нелинейность. Пределы допустимых значений дифференциальной нелинейности выражаются в единицах веса младшего разряда.

Рассмотрим причины появления дифференциальных погрешностей и то, как они отражаются на функции преобразования ЦАП. Представим, что все веса разрядов в ЦАП заданы идеально точно, кроме веса старшего разряда.

Если рассмотреть последовательность всех кодовых комбинаций для двоичного кода некоторой разрядности, то закономерности формирования двоичного кода определяют кроме всего прочего и то, что в кодовых комбинациях, соответствующих значениям от нуля до половины полной шкалы (от нуля до половины максимального значения кода), старший разряд всегда равен нулю, а в кодовых комбинациях, соответствующих значениям от половины шкалы до полного ее значения, старший разряд всегда равен единице. Поэтому при подаче на ЦАП кодов, соответствующих первой половине шкалы значений входного кода, вес старшего разряда не участвует в формировании выходного сигнала, а при подаче кодов соответствующих второй половине – участвует постоянно. Но если вес этого разряда задан с погрешностью, то эта погрешность будет отражаться и на формировании выходного сигнала. Тогда это отразится на функции преобразования ЦАП, так как показано на рис. 3.9.а .

Р и с. 3.9. Влияние на функцию преобразования ЦАП погрешности задания

веса старшего разряда.

Из рис. 3.9.а . видно, что для первой половины значений входного кода реальная функция преобразования ЦАП соответствует идеальной, а для второй половины значений входного кода реальная функция преобразования отличается от идеальной на величину погрешности задания веса старшего разряда. Минимизации влияния этой погрешности на функцию преобразования ЦАП можно добиться, выбрав такой масштабный коэффициент преобразования, который позволит свести погрешность в конечной точке шкалы преобразования к нулю (рис. 3.9.б ). При этом видно, что дифференциальные погрешности распределяются симметрично относительно середины шкалы. Это определило еще одно их название – погрешности симметричного типа. Одновременно видно, что наличие такой погрешности определяет немонотонное поведение функции преобразования ЦАП.

На рис. 3.10.а . показано, как будет отличаться реальная функция преобразования ЦАП от идеальной при условии отсутствия погрешностей задания весов всех разрядов, кроме разряда, предшествующего старшему. Рис. 3.10.б . показывает, поведение функции преобразования, если выбрать (свести к нулю) масштабную составляющую общей погрешности.

Метрология" href="/text/category/metrologiya/" rel="bookmark">метрологических показателей рационально добиваться комплексно, используя технологические приемы с различными структурными методами. А при использовании готовых интегральных преобразователей структурные методы это единственный путь дальнейшего повышения метрологических характеристик системы преобразования.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

• СОДЕРЖАНИЕ 2
• В ведение 3
• 1. Техническое задание 6
• 2. Разработка и описание системы измерительных каналов для определения статических и динамических характеристик 8
• 2.1 Разработка принципа выбора и нормирования статических и динамических характеристик измерительных каналов средств измерения 8
• 2.2 Разработка комплексов нормируемых метрологических характеристик 12
• 3. РАЗРАБОТКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ 16
• 3.1 Разработка метрологической надежности средств измерения . 16
• 3.2 Изменение метрологических характеристик средств 19
• измерения в процессе эксплуатации 19
• 3.3 Разработка моделей нормирования метрологических 22
• характеристик 22
• 4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ 26
• 5. Разработка каналов 30
• 5.1Разработка модели каналов 30
• 5.2 Разработка модели измерительного канала 30
• ЛИТЕРАТУРА 35

Введение

Одной из главных форм государственного метрологического надзора и ведомственного контроля, направленных на обеспечение единства измерений в стране, как указывалось ранее, является поверка СИ. Поверке подвергаются СИ, выпускаемые из производства и ремонта, получаемые из-за рубежа, а также находящиеся в эксплуатации и хранении. Основные требования к организации и порядку проведения поверки СИ установлены ГОСТ “ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения”. Термин “поверка” введен ГОСТ “ГСИ. Метрология. Термины и определения” как “определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению”. В отдельных случаях при поверке вместо определения значений погрешностей проверяют, находится ли погрешность в допустимых пределах. Таким образом, поверку СИ проводят для установления их пригодности к применению. Пригодным к применению в течение определенного межповерочного интервала времени признают те СИ, поверка которых подтверждает их соответствие метрологическим и техническим требованиям к данному СИ. Средства измерений подвергают первичной, периодической, внеочередной, инспекционной и экспертной поверкам. Первичной поверке подвергаются СИ при выпуске из производства или ремонта, а также СИ, поступающие по импорту. Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении через определенные межповерочные интервалы, установленные с расчетом обеспечения пригодности к применению СИ на период между поверками. Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении госнадзора и ведомственного метрологического контроля за состоянием и применением СИ. Экспертную поверку выполняют при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам (MX), исправности СИ и пригодности их к применению. Метрологическая аттестация - это комплекс мероприятий по исследованию метрологических характеристик и свойств средства измерения с целью принятия решения о пригодности его применения в качестве образцового. Обычно для метрологической аттестации составляют специальную программу работ, основными этапами которых являются: экспериментальное определение метрологических характеристик; анализ причин отказов; установление межповерочного интервала и др. Метрологическую аттестацию средств измерений, применяемых в качестве образцовых, производят перед вводом в эксплуатацию, после ремонта и при необходимости изменения разряда образцового средства измерений. Результаты метрологической аттестации оформляют соответствующими документами (протоколами, свидетельствами, извещениями о непригодности средства измерений). Особенности применяемых видов средств измерений определяют методы их поверки.

В практике поверочных лабораторий известны разнообразные методы поверки средств измерений, которые для унификации сводятся к следующим:

* непосредственное сличение при помощи компаратора (т.е. при помощи средств сравнения);

* метод прямых измерений;

* метод косвенных измерений;

* метод независимой поверки (т.е. поверки средств измерений относительных величин, не требующий передачи размеров единиц).

Поверку измерительных систем проводят государственные метрологические органы, называемые Государственной метрологической службой. Деятельность Государственной метрологической службы направлена на решение научно-технических проблем метрологии и осуществление необходимых законодательных и контрольных функций, таких как: установление допущенных к применению единиц физических величин; создание образцовых средств измерений, методов и средств измерений высшей точности; разработка общесоюзных поверочных схем; определение физических констант; разработка теории измерений, методов оценки погрешностей и другие. Задачи, стоящие перед Государственной метрологической службой, решаются с помощью Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Государственная система обеспечения единства измерений является нормативно-правовой основой метрологического обеспечения научной и практической деятельности в части оценки и обеспечения точности измерений. Она представляет собой комплекс нормативно-технических документов, устанавливающих единую номенклатуру, способы представления и оценки метрологических характеристик средств измерений, правила стандартизации и аттестации выполнения измерений, оформления их результатов, требования к проведению государственных испытаний, поверки и экспертизы средств измерений. Основными нормативно-техническими документами государственной системы обеспечения единства измерений являются государственные стандарты. На основе этих базовых стандартов разрабатываются нормативно-технические документы, конкретизирующие общие требования базовых стандартов к различным производствам, областям измерений и методикам выполнения измерений.

1. Техническое задание

1.1 Разработка и описание системы измерительных каналов для определения статических и динамических характеристик.

1.2 Материалы научно-методических разработок кафедры ИСИТ

1.3 Назначение и цель

1.3.1 Данная система предназначена для определения характерных инструментальных составляющих погрешностей измерений.

1.3.2 Разработать измерительную информационную систему позволяющую автоматически получить необходимую информацию, переработать и выдать ее в требуемой форме.

1.4 Требования к системе

1.4.1 Правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009 - 84.

1.4.2 Комплекс нормируемых метрологических характеристик:

1. меры и цифро-аналоговые преобразователи;

2. измерительные и регистрирующие приборы;

3. аналоговые и аналогово-цифровые измерительные преобразователи.

1.4.3 Инструментальная погрешность первой модели нормированных метрологических характеристик:

Случайная составляющая;

Динамическая погрешность;

1.4.4 Инструментальная погрешность второй модели нормированных метрологических характеристик:

где основная погрешность СИ без разбиения ее на составляющие.

1.4.5 Соответствие моделей нормированных метрологических характеристик ГОСТу 8.009-84 о формировании комплексов нормированных метрологических характеристик.

2. Разработка и описание системы измерительных каналов для определения статических и динамических характеристик

2.1 Разработка принципа выбора и нормирования статических и динамических характеристик измерительных каналов средств измерения

При использовании СИ принципиально важно знать степень соответствия информации измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (MX).

Метрологические характеристики - это характеристики свойств средства измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально - действительными. Номенклатура MX, правила выбора комплексов нормируемых MX для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений".

Метрологические характеристики СИ позволяют:

определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения СИ;

рассчитывать MX каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными MX;

производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;

сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения.

При разработке принципов выбора и нормирования средств измерений необходимо придерживаться ряда положений, изложенных ниже.

1. Основным условием возможности решения всех перечисленных задач является наличие однозначной связи между нормированными MX и инструментальными погрешностями. Эта связь устанавливается посредством математической модели инструментальной составляющей погрешности, в которой нормируемые MX должны быть аргументами. При этом важно, чтобы номенклатура MX и способы их выражения были оптимальны. Опыт эксплуатации различных СИ показывает, что целесообразно нормировать комплекс MX, который, с одной стороны, не должен быть очень большим, а с другой - каждая нормируемая MX должна отражать конкретные свойства СИ и при необходимости может быть проконтролирована.

Нормирование MX средств измерений должно производиться исходя из единых теоретических предпосылок. Это связано с тем, что в измерительных процессах могут участвовать СИ, построенные на различных принципах.

Нормируемые MX должны быть выражены в такой форме, чтобы с их помощью можно было обоснованно решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам.

Нормируемые MX должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений.

В общем случае она может быть определена как сумма (объединение) следующих составляющих погрешности:

0 (t), обусловленной отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ. Эта погрешность называется основной;, обусловленной реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и информативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Эта погрешность называется дополнительной;

dyn , обусловленной реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта составляющая, называемая динамической погрешностью, зависит и от динамических свойств средств измерений, и от частотного спектра входного сигнала;

int , обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенным последовательно с ним в измерительную систему. Эта погрешность зависит от характеристики параметров входной цепи СИ и выходной цепи объекта измерений.

Таким образом, инструментальную составляющую погрешности СИ можно представить в виде

где * - символ статистического объединения составляющих.

Первые две составляющие представляют собой статическую погрешность СИ, а третья - динамическую. Из них только основная погрешность определяется свойствами СИ. Дополнительная и динамическая погрешности зависят как от свойств самого СИ, так и от некоторых других причин (внешних условий, параметров измерительного сигнала и др.).

Требования к универсальности и простоте статистического объединения составляющих инструментальной погрешности обуславливают необходимость их статистической независимости - некоррелированности. Однако предположение о независимости этих составляющих не всегда верно.

Выделение динамической погрешности СИ как суммируемой составляющей допустимо только в частном, но весьма распространенном случае, когда СИ можно считать линейным динамическим звеном и когда погрешность является весьма малой величиной по сравнению с выходным сигналом. Динамическое звено считается линейным, если оно описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для СИ, являющихся существенно нелинейными звеньями, выделение в отдельно суммируемые составляющие статической и динамической погрешностей недопустимо.

Нормируемые MX должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства.

Выбор MX необходимо осуществлять так, чтобы пользователь имел
возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации.

Нормируемые MX, приводимые в нормативно-технической документации, отражают свойства не отдельно взятого экземпляра СИ,а всей совокупности СИ данного типа, т.е. являются номинальными. Под типом понимается совокупность СИ, имеющих одинаковое назначение, схему и конструкцию и удовлетворяющих одним и тем же требованиям, регламентированным в технических условиях.

Метрологические характеристики отдельного СИ данного типа могут быть любыми в пределах области значений номинальных MX. Отсюда следует, что MX средства измерений данного типа должна описываться как нестационарный случайный процесс. Математически строгий учет данного обстоятельства требует нормирования не только пределов MX как случайных величин, но и их временной зависимости (т.е. автокорреляционных функций). Это приведет к чрезвычайно сложной системе нормирования и практической невозможности контроля MX, поскольку при этом он должен был бы осуществляться в строго определенные промежутки времени. Вследствие этого принята упрощенная система нормирования, предусматривающая разумный компромисс между математической строгостью и необходимой практической простотой. В принятой системе низкочастотные изменения случайных составляющих погрешности, период которых соизмерим с длительностью межповерочного интервала, при нормировании MX не учитываются. Они определяют показатели надежности СИ, обуславливают выбор рациональных межповерочных интервалов и других аналогичных характеристик. Высокочастотные изменения случайных составляющих погрешности, интервалы корреляции которых соизмеримы с длительностью процесса измерения, необходимо учитывать путем нормирования, например, их автокорреляционных функций.

2.2 Разработка комплексов нормируемых метрологических характеристик

Большое разнообразие групп СИ делает невозможной регламентацию конкретных комплексов MX для каждой из этих групп в одном нормативном документе. В то же время все СИ не могут характеризоваться единым комплексом нормируемых MX, даже если он представлен в самой общей форме.

Основным признаком деления СИ на группы является общность комплекса нормируемых MX, необходимых для определения характерных инструментальных составляющих погрешностей измерений. В этом случае все СИ целесообразно разделить на три большие группы, представленные по степени усложнения MX: 1) меры и цифро-аналоговые преобразователи; 2) измерительные и регистрирующие приборы; 3) аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразователи.

При установлении комплекса нормируемых MX принята следующая модель инструментальной составляющей погрешности измерений:

где символом << * >> обозначено объединение погрешности СИ в реальных условиях его применения и составляющей погрешности int , обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений. Под объединением понимается применение к составляющим некоторого функционала, позволяющего рассчитать погрешность, обусловленную их совместным воздействием. В каждом случае функционал определяется исходя из свойств конкретного СИ.

Всю совокупность MX можно разбить на две большие группы. В первой из них инструментальная составляющая погрешности определяется путем статистического объединения отдельных ее составляющих. При этом доверительный интервал, в котором находится инструментальная погрешность, определяется с заданной доверительной вероятностью меньше единицы. Для MX этой группы принята следующая модель погрешности в реальных условиях приме нения (модель 1):

где - систематическая составляющая;

Случайная составляющая;

Случайная составляющая, обусловленная гистерезисом;

Объединение дополнительных погрешностей;

Динамическая погрешность;

L - число дополнительных погрешностей, равное всех величин, существенно влияющих на погрешность в реальных условиях.

В зависимости от свойств СИ данного типа и рабочих условий его применения отдельные составляющие могут отсутствовать.

Первая модель выбирается, если допускается, что погрешность изредка превышает значение, рассчитанное по нормируемым характеристикам. При этом по комплексу MX можно рассчитать точечные и интервальные характеристики, в которых инструментальная составляющая погрешности измерений находится с любой заданной доверительной вероятностью, близкой к единице, но меньше ее.

Для второй группы MX статистическое объединение составляющих не применяется. К таким СИ относятся лабораторные средства, а также большинство образцовых средств, при использовании которых не производятся многократные наблюдения с усреднением результатов. Инструментальная погрешность в данном случае определяется как арифметическая сумма наибольших возможных значений ее составляющих. Эта оценка дает доверительный интервал с вероятностью, равной единице, являющийся предельной оценкой сверху искомого интервала погрешности, охватывающего все возможные, в том числе весьма редко реализующиеся, значения. Это приводит к существенному ужесточению требований к MX, что может быть применимо только к наиболее ответственным измерениям, например связанным со здоровьем и жизнью людей, с возможностью катастрофических последствий неверных измерений и т.п.

Арифметическое суммирование наибольших возможных значений составляющих инструментальной погрешности приводит к включению в комплекс нормируемых MX пределов допускаемой погрешности, а не статистических моментов. Это допустимо также для СИ, имеющих не более трех составляющих, каждая из которых определяется по отдельной нормируемой MX. В этом случае расчетные оценки инструментальной погрешности, полученные арифметическим объединением наибольших значений ее составляющих и статистическим суммированием характеристик составляющих (при вероятности, хотя и меньшей, но достаточно близкой к единице), практически различаться не будут. Для рассматриваемого случая модель 2 погрешности СИ:

Здесь - основная погрешность СИ без разбиения ее на составляющие (в отличие от модели 1).

3. РАЗРАБОТКА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

3.1 Разработка метрологической надежности средств измерения.

Модель 2 применима только для тех СИ, у которых случайная составляющая пренебрежимо мала.

Вопросы выбора MX достаточно детально регламентированы в ГОСТ 8.009-84, где приведены характеристики, которые должны нормироваться для названных выше групп СИ. Приведенный перечень может корректироваться для конкретного средства измерений с учетом его особенностей и условий эксплуатации. Важно отметить, что не следует нормировать те MX, которые оказывают несущественный по сравнению с другими вклад в инструментальную погрешность. Определение того, важна ли данная погрешность или нет, производится на основе критериев существенности, приведенных в ГОСТ 8.009-84.

В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры средства измерений претерпевают изменения. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, т.е. к невозможности СИ выполнять свои функции. Отказы делятся на неметрологические и метрологические.

Неметрологическим называется отказ, обусловленный причинами, не связанными с изменением MX средства измерений. Они носят главным образом явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки.

Метрологическим называется отказ, вызванный выходом MX из установленных допустимых границ. Как показывают проведенные исследования , метрологические отказы происходят значительно чаще, чем неметрологические. Это обуславливает необходимость разработки специальных методов их прогнозирования и обнаружения. Метрологические отказы подразделяются на внезапные и постепенные.

Внезапным называется отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких MX. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, т.е. по характеру проявления они являются явными. Особенностью внезапных отказов является постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа этих отказов классическую теорию надежности. В связи с этим в дальнейшем отказы такого рода не рассматриваются.

Постепенным называется отказ, характеризующийся монотонным изменением одной или нескольких MX. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля СИ. В дальнейшем рассматриваются именно такие отказы.

С понятием "метрологический отказ" тесно связано понятие метрологической исправности средства измерений. Под ней понимается состояние СИ, при котором все нормируемые MX соответствуют установленным требованиям. Способность СИ сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации называется метрологической надежностью. Специфика проблемы метрологической надежности состоит в том, что для нее основное положение классической теории надежности о постоянстве во времени интенсивности отказов оказывается неправомерным. Современная теория надежности ориентирована на изделия, обладающие двумя характерными состояниями: работоспособное и неработоспособное. Постепенное изменение погрешности СИ позволяет ввести сколь угодно много работоспособных состояний с различным уровнем эффективности функционирования, определяемым степенью приближения погрешности к допустимым граничным значениям.

Понятие метрологического отказа является в известной степени условным, поскольку определяется допуском на MX, который в общем случае может меняться в зависимости от конкретных условий. Важно и то, что зафиксировать точное время наступления метрологического отказа ввиду скрытого характера его проявления невозможно, в то время как явные отказы, с которыми оперирует классическая теория надежности, могут быть обнаружены в момент их возникновения. Все это потребовало разработки специальных методов анализа метрологической надежности СИ .

Надежность СИ характеризует его поведение с течением времени и является обобщенным понятием, включающим в себя стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых СИ) и сохраняемость.

Стабильность СИ является качественной характеристикой, отражающей неизменность во времени его MX. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности. Метрологические надежность и стабильность являются различными свойствами одного и того процесса старения СИ. Стабильность несет больше информации о постоянстве метрологических свойств средства измерений. Это как бы его "внутреннее" свойство. Надежность, наоборот, является "внешним" свойством, поскольку зависит как от стабильности, так и от точности измерений и значений используемых допусков.

Безотказностью называется свойство СИ непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. Она характеризуется двумя состояниями: работоспособным и неработоспособным. Однако для сложных измерительных систем может иметь место и большее число состояний, поскольку не всякий отказ приводит к полному прекращению их функционирования. Отказ является случайным событием, связанным с нарушением или прекращением работоспособности СИ. Это обуславливает случайную природу показателей безотказности, главным из которых является распределение времени безотказной работы СИ.

Долговечностью называется свойство СИ сохранять свое работоспособное состояние до наступления предельного состояния. Работоспособное состояние - это такое состояние СИ, при котором все его MX соответствуют нормированным значениям. Предельным называется состояние СИ, при котором его применение недопустимо.

После метрологического отказа характеристики СИ путем соответствующих регулировок могут быть возвращены в допустимые диапазоны. Процесс проведения регулировок может быть более или менее длительным в зависимости от характера метрологического отказа, конструкции СИ и ряда других причин. Поэтому в характеристику надежности введено понятие "ремонтопригодность". Ремонтопригодность - свойство СИ, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, восстановлению и поддержанию его работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Оно характеризуется затратами времени и средств на восстановление СИ после метрологического отказа и поддержание его в работоспособном состоянии.

Как будет показано далее, процесс изменения MX идет непрерывно независимо от того, используется ли СИ или оно хранится на складе. Свойство СИ сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования называется его сохраняемостью.

3.2 Изменение метрологических характеристик средств

измерения в процессе эксплуатации

Метрологические характеристики СИ могут изменяться в процессе эксплуатации. В дальнейшем будем говорить об изменениях погрешности (t), подразумевая, что вместо нее может быть аналогичным образом рассмотрена любая другая MX.

Следует отметить, что не все составляющие погрешности подвержены изменению во времени. Например, методические погрешности зависят только от используемой методики измерения. Среди инструментальных погрешностей есть много составляющих, практически не подверженных старению, например размер кванта в цифровых приборах и определяемая им погрешность квантования.

Изменение MX средств измерений во времени обусловлено процессами старения в его узлах и элементах, вызванными взаимодействием с внешней окружающей средой. Эти процессы протекают в основном на молекулярном уровне и не зависят от того, находится ли СИ в эксплуатации или хранится на консервации. Следовательно, основным фактором, определяющим старение СИ, является календарное время, прошедшее с момента их изготовления, т.е. возраст. Скорость старения зависит прежде всего от используемых материалов и технологий. Исследования показали, что необратимые процессы, изменяющие погрешность, протекают очень медленно и зафиксировать эти изменения в ходе эксперимента в большинстве случаев невозможно. В связи с этим большое значение приобретают различные математические методы, на основе которых строятся модели изменения погрешностей и производится прогнозирование метрологических отказов.

Задача, решаемая при определении метрологической надежности СИ, состоит в нахождении начальных изменений MX и построении математической модели, экстраполирующей полученные результаты на большой интервал времени. Поскольку изменение MX во времени - случайный процесс, то основным инструментом построения математических моделей является теория случайных процессов.

Изменение погрешности СИ во времени представляет собой нестационарный случайный процесс. Множество его реализаций показаны на рис.1 в виде кривых модулей погрешности. В каждый момент t i они характеризуются некоторым законом распределения плот ности вероятности р(, t i) (кривые 1 и 2 на рис.2,а). В центре полосы (кривая cp (t)) наблюдается наибольшая плотность появления погрешностей, которая постепенно уменьшается к границам полосы, теоретически стремясь к нулю при бесконечном удалении от центра. Верхняя и нижняя границы полосы погрешностей СИ могут быть представлены лишь в виде некоторых квантильных границ, внутри которых заключена большая часть погрешностей, реализуемых с доверительной вероятностью Р. За пределами границ с вероятностью (1 - Р)/2 находятся погрешности наиболее удаленные от центра реализаций.

Для применения квантильного описания границ полосы погрешностей в каждом ее сечении t i необходимо знать оценки математического ожидания cp (t i) и СКО отдельных реализаций. Значение погрешности на границах в каждом сечении t i равно

r (t i) = cp (t) ± k(t i),

где k - квантильный множитель, соответствующий заданной доверительной вероятности Р, значение которого существенно зависит от вида закона распределения погрешностей по сечениям. Определить вид этого закона при исследовании процессов старения СИ практически не представляется возможным. Это связано с тем, что законы распределения могут претерпевать значительные изменения с течением времени.

Метрологический отказ наступает при пересечении кривой прямых ± пр. Отказы могут наступать в различные моменты времени в диапазоне от t min до t max (см. рис.2, а), причем эти точки являются точками пересечения 5% - и 95% -ного квантилей с линией допустимого значения погрешности. При достижении кривой (t) допустимого предела у 5% приборов наступает метрологический отказ. Распределение моментов наступления таких отказов будет характеризоваться плотностью вероятности p H (t), показанной на рис.2,б. Таким образом, в качестве модели нестационарного случайного процесса изменения во времени модуля погрешности СИ целесообразно использовать зависимость изменения во времени 95% -ного квантиля этого процесса.

Показатели точности, метрологической надежности и стабильности СИ соответствуют различным функционалам, построенным на траекториях изменения его MX (t). Точность СИ характеризуется значением MX в рассматриваемый момент времени, а по совокупности средств измерений - распределением этих значений, представленных кривой 1 для начального момента и кривой 2 для момента t i . Метрологическая надежность характеризуется распределением моментов времени наступления метрологических отказов (см. рис.2,б). Стабильность СИ характеризуется распределением приращений MX за заданное время.

3.3 Разработка моделей нормирования метрологических

характеристик

В основу системы нормирования MX заложен принцип адекватности оценки погрешности измерений и ее действительного значения при условии, что реально найденная оценка является оценкой "сверху". Последнее условие объясняется тем, что оценка "снизу" всегда опаснее, так как приводит к большему ущербу от недостоверности измерительной информации.

Такой подход вполне объясним, принимая во внимание, что точное нормирование MX невозможно из-за множества не учитываемых (вследствие их незнания и отсутствия инструмента их выявления) влияющих факторов. Поэтому нормирование в известной степени является волевым актом при достижении компромисса между желанием полного описания характеристик измерения и возможностью это осуществить в реальных условиях при известных экспериментально-теоретических ограничениях и требованиях простоты и наглядности инженерных методов. Другими словами, сложные методы описания и нормирования MX нежизнеспособны

Потребитель получает сведения о типовых MX из НТД на СИ и лишь в крайне редких, исключительных случаях самостоятельно проводит экспериментальное исследование индивидуальных характеристик СИ. Поэтому очень важно знание взаимосвязи между MX СИ и инструментальными погрешностями измерений. Это позволило бы, зная одну комплексную MX СИ, непосредственно найти погрешность измерения, исключая одну из самых трудоемких и сложных задач суммирования составляющих общей погрешности измерения. Однако этому препятствует еще одно обстоятельство - отличие MX конкретного СИ от метрологических свойств множества этих же СИ. Например, систематическая погрешность данного СИ есть детерминированная величина, а для совокупности СИ - это величина случайная. Комплекс НМХ должен устанавливаться исходя из требований реальных условий эксплуатации конкретных СИ. На этом основании все СИ целесообразно разделить на две функциональные категории. Для первой и третьей групп СИ должны нормироваться характеристики взаимодействия с устройствами, подключенными к входу и выходу СИ, и неинформативные параметры выходного сигнала. Кроме того, для третьей группы должны нормироваться номинальная функция преобразований f ном (x) (в СИ второй группы ее заменит шкала или другое градуированное отсчетное устройство) и полные динамические характеристики. Указанные характеристики для СИ второй группы не имеют смысла, за исключением регистрирующих приборов, для которых целесообразно нормировать полные или частные динамические характеристики

Наиболее распространенными формами записи класса точности ЦСИ являются:

где с и d - постоянные коэффициенты по формуле (3.6); х к - конечное значение диапазона измерения; х - текущее значение;

где b= d; a = с-b;

3) символическая запись, характерная для зарубежных ЦСИ,

ор = ± ,

ГОСТ 8.009 - 84 предусматривает две основные модели (Ml и МП) формирования комплексов НМХ, соответствующих двум моделям возникновения погрешности СИ, основанным на статистическом объединении этих погрешностей.

Модель применима для СИ, случайной составляющей погрешности которых можно пренебречь. Эта модель включает расчет наибольших возможных значений составляющих погрешности СИ для гарантирования вероятности Р=1 недопущения выхода погрешности СИ за расчетные пределы. Модель II используется для наиболее ответственных измерений, связанных с учетом технических и экономических факторов, возможных катастрофических последствий, угрозы здоровью людей и т.п. Когда число составляющих превышает три, данная модель дает более грубую (за счет включения редко встречающихся составляющих), но надежную оценку "сверху" основной погрешности СИ.

Модель 1 дает рациональную оценку основной погрешности СИ с вероятностью Р<1 из-за пренебрежения редко реализующимися составляющими погрешности.

Таким образом, комплекс НМХ для моделей I и II погрешности предусматривает статистическое объединение отдельных составляющих погрешностей с учетом их значимости.

Однако для некоторых СИ такое статистическое объединение нецелесообразно. Это точные лабораторные промышленные (в технологических процессах) СИ, измеряющие медленно изменяющиеся процессы в условиях, близких к нормальным, образцовые СИ, при использовании которых не производится многократных наблюдений с усреднениями. За инструментальную (модель III) в таких приборах может быть принята их основная погрешность или арифметическая сумма наибольших возможных значений отдельных составляющих погрешностей.

Арифметическое суммирование наибольших значений составляющих погрешностей возможно, если число таких составляющих не более трех. В этом случае оценка общей инструментальной погрешности практически не будет отличаться от статистического суммирования.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

Измерительный сигнал - это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16465 70 "Сигналы радиотехнические. Термины и определения". Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рис.3.

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал - это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Y a (t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y<=(Y min ; Y max) и t6(t mjn ; t max)

Дискретный сигнал - это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени пТ, где Т = const- интервал (пе риод) дискретизации, п = 0; 1; 2;. целое, любые значения Y JI (nT)e(Y min ; Y max), называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y a (t) существуют в любой момент времени te(t niin ; t max), однако они могут принимать ограниченный ряд значений h ; =nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы - квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Y u (nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени пТ лишь конечный ряд дискретных значений уровней квантования h 1 , h 2 ,., h n

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.

Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал - это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.

По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированный сигнал - это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора.

Квазидетерминированные сигналы - это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т.е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными.

Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией.

Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближенно повторяются при добавлении к временному аргументу надлежащим образом выбранного числа почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложения периодических функций с несоизмеримыми периодами, например Y(t) sin(cot) - sin(V2(0t). Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах.

Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени. Период Т сигнала параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота f периодического сигнала - величина, обратная периоду.

Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра:

* комплексный комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты f периодического сигнала Y(t)

* амплитудный - функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала

* фазовый - функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала

Измерительная система по определению предназначена для восприятия, переработки и хранения измерительной информации в общем случае разнородных физических величин по различным измерительным каналам (ИК). Поэтому расчет погрешности измерительной системы сводится к оценке погрешностей ее отдельных каналов.

Результирующая относительная погрешность ИК будет равна

где x- текущее значение измеряемой величины;

х П - предел данного диапазона измерения канала, при котором относительная погрешность минимальна;

Относительные погрешности, вычисленные соответственно в начале и конце диапазона.

ИК - цепь различных воспринимающих, преобразовательных и регистрирующих звеньев

5. Разработка каналов

5.1Разработка модели каналов

В реальных каналах передачи данных на сигнал действует сложная помеха и дать математическое описание принимаемого сигнала практически невозможно. Поэтому при исследовании передачи сигналов по каналам применяются идеализированные модели этих каналов. Под моделью канала передачи данных понимают описание канала, позволяющее рассчитать или оценить его характеристики, на основании которых можно исследовать различные способы построения системы связи без непосредственных экспериментальных данных.

Моделью непрерывного канала является так называемый гауссовский канал. Помеха в нем аддитивна и представляет собой эргодический нормальный процесс с нулевым математическим ожиданием. Гауссовский канал достаточно хорошо отражает лишь канал с флуктуационной помехой. При мультипликативных помехах используют модель канала с релеевским распределением. При импульсных помехах применяется канал с гиперболическим распределением.

Модель дискретного канала совпадает с моделями источников ошибок.

Выдвинут ряд математических моделей распределения ошибок в реальных каналах связи, таких, как Гильберта, Мертца, Мальденброта и др.

5.2 Разработка модели измерительного канала

Раньше средства измерительной техники проектировались и изготовлялись в основном в виде отдельных приборов, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин. В настоящее время проведение научных экспериментов, автоматизация сложных производственных процессов, контроль, диагностика немыслимы без применения различных по назначению измерительных информационных систем (ИИС), позволяющих автоматически получить необходимую информацию непосредственно от изучаемого объекта, переработать и выдать ее в требуемой форме. Специализированные измерительные системы разрабатываются практически для всех областей науки и техники.

При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам возникает задача, связанная с выбором рациональной структуры и набором технических средств для ее построения. Структура ИИС в основном определяется методом измерения, положенным в ее основу, а количество и тип технических средств информационным процессом, протекающим в системе. Оценку характера информационного процесса и видов преобразования информации можно произвести на основании анализа информационной модели ИИС, но ее построение является достаточно трудоемким процессом, а сама модель настолько сложна, что затрудняет решение поставленной задачи.

В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществляется в основном универсальными ЭВМ, являющимися структурным компонентом ИИС, и при проектировании ИИС они выбираются из ограниченного ряда серийных ЭВМ, то информационную модель ИИС можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала (ИК). Во всех измерительных каналах ИИС, включающих в себя элементы информационных процессов, от получения информации от объекта исследования или управления до ее отображения или обработки и запоминания содержится некоторое ограниченное число видов

преобразования информации. Объединив все виды преобразования информации в одном измерительном канале и выделив последний из состава ИИС, а также имея в виду, что на входе измерительной системы всегда действуют аналоговые сигналы, получим две модели измерительных каналов с прямым (рис.4а) и обратным (рис.4б) преобразованиями измерительной информации.

На моделях, в узлах 0 - 4, происходит преобразование информации. Стрелки указывают направление информационных потоков, а их буквенные обозначения - вид преобразования.

Узел 0 является выходом объекта исследования или управления, на котором формируется аналоговая информация А, определяющая состояние объекта. Информация А поступает в узел 1, где она преобразуется к виду А н для дальнейших преобразований в системе. В узле 1 могут осуществляться преобразования неэлектрического носителя информации в электрический, усиление, масштабирование, линеаризация и т. д., т. е. нормирование параметров носителя информации А.

В узле 2 нормированный носитель информации А„ для передачи по линии связи модулируется и предоставляется в виде аналогового А н либо дискретного Д м сигнала.

Аналоговая информация А н в узле 3 демодулируется и поступает в узел 4, где она измеряется и отображается.

Рис.4 Модель измерительного канала прямого (а) и обратного (б) преобразований измерительной информации

Дискретная информация в узле З 1 либо преобразуется в аналоговую информацию А н и поступает в узел 4 1 , либо после цифрового преобразо вания поступает на средство отображения цифровой информации или в устройство ее обработки.

В некоторых ИК нормированный носитель информации А из узла 1 сразу поступает в узел 4 1 для измерения и отображения. В других ИК аналоговая информация А без операции нормирования сразу поступает в узел 2, где она дискретизируется.

Таким образом, информационная модель (рис.4а) имеет шесть ветвей, по которым передаются потоки информации: аналоговые 0-1-2-3 1 -4 1 и 0-1-4 1 и аналого-дискретные 0-1-2-3 2 -4 1 , 0-1-2-3 2 -4 2 и 0-2-З 2 -4 1 , 0-2-3 2 -4 2 . Ветвь 0-l-4 1 не используется при построении измерительных каналов ИИС, а применяется лишь в автономных измерительных приборах и потому на рис.4 а не показана.

Модель, приведенная на рис.4 б, отличается от модели на рис.4 а лишь наличием ветвей З 2 -1"-0, 3 1 -1"-0, 3 2 -1"-1 и 3 1 -1"-1, по которым осуществляется обратная передача* аналогового носителя информации А н ". В узле 1" выходной носитель дискретной информации А л " преобразуется в однородный с носителем входной информации А или носителем нормированной информации А н сигнал А". Компенсация может быть осуществлена как по А, так и по А н.

Анализ информационных моделей измерительных каналов ИИС показал, что при построении их на основе метода прямого преобразования возможны лишь пять вариантов структур, а при использовании методов измерения с обратным (компенсационным) преобразованием информации 20.

В большинстве случаев (особенно при построении ИИС для удаленных объектов) обобщенная информационная модель ИК ИИС имеет вид, показанный на рис.4а наибольшее распространение получили аналого-дискретные ветви 0-1-2-3 2 -4 2 и 0-2-3 2 -4 2 . Как видно, для указанных ветвей число уровней преобразования информации в ИК не превышает трех.

Так как в узлах располагаются технические средства, осуществляющие преобразование информации, то, учитывая ограниченное число уровней преобразования, их можно объединить в три группы. Это позволит при разработке ИК ИИС выбрать нужные технические средства для реализации той или иной структуры. Группа технических средств узла 1 включает в себя весь набор первичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие (нормирующие) измерительные преобразователи (УИП), осуществляющие масштабирование, линеаризацию, преобразование мощности и т. д.; блоки формирования тестов и образцовые меры.

В узле 2 в случае наличия аналого-дискретных ветвей располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), коммутаторы (КМ), служащие для подключения соответствующего источника информации к ИК или устройству обработки, а также каналы связи (КС).

Третья группа (узел 3) объединяет в своем составе преобразователи кодов (ПК), цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и линии задержки (ЛЗ).

Приведенная структура ИК, реализующая метод прямых измерений, показана без управляющих работой коммутационным элементом и АЦП-связей. Она является типовой, и на ее основе строится большинство многоканальных ИИС, особенно ИИС дальнего действия.

Интерес представляют методы расчета ИК для различных, рассмотренных выше информационных моделей. Строгий математический расчет невозможен, но, используя упрощенные методы подхода к определению составляющих результирующей погрешности, параметрам и законам распределения, задаваясь значением доверительной вероятности и учитывая корреляционные связи между ними, можно составить и рассчитать упрощенную математическую модель реального измерительного канала. Примеры расчета погрешности каналов с аналоговым и цифровым регистраторами рассмотрены в работах П.В.Новицкого.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. М. Пестриков Домашний электрик и не только…Изд. Нит. - Издание 4-е

2. А.Г. Сергеев, В.В. Крохин. Метрология, уч. пособие, Москва, Логос, 2000

3. Горячева Г. А., Добромыслов Е. Р. Конденсаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984

4. Раннев Г. Г. Методы и средства измерений: М.: Издательский центр «Академия», 2003

5. http//www.biolock.ru

6. Калашников В. И., Нефедов С. В., Путилин А. Б. Информационно-измерительная техника и технологии: учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2002

Подобные документы

Описание принципа действия аналогового датчика и выбор его модели. Выбор и расчет операционного усилителя. Принципа действия и выбор микросхемы аналого-цифрового преобразователя. Разработка алгоритма программы. Описание и реализация выходного интерфейса.

курсовая работа , добавлен 04.02.2014


Подготовка аналогового сигнала к цифровой обработке. Вычисление спектральной плотности аналогового сигнала. Специфика синтеза цифрового фильтра по заданному аналоговому фильтру-прототипу. Расчет и построение временных характеристик аналогового фильтра.

курсовая работа , добавлен 02.11.2011


Расчет характеристик фильтра во временной и частотной областях с помощью быстрого преобразования Фурье, выходного сигнала во временной и частотной областях с помощью обратного быстрого преобразования Фурье; определение мощности собственных шумов фильтра.

курсовая работа , добавлен 28.10.2011


Разработка адаптера аналого-цифрового преобразователя и активного фильтра низких частот. Дискретизация, квантование, кодирование как процессы преобразования сигналов для микропроцессорной секции. Алгоритм работы устройства и его электрическая схема.

реферат , добавлен 29.01.2011


Параметры цифрового потока формата 4:2:2. Разработка принципиальной электрической схемы. Цифро-аналоговый преобразователь, фильтр нижних частот, усилитель аналогового сигнала, выходной каскад, кодер системы PAL. Разработка топологии печатной платы.

дипломная работа , добавлен 19.10.2015


Алгоритм расчета фильтра во временной и частотной областях при помощи быстрого дискретного преобразования Фурье (БПФ) и обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Расчет выходного сигнала и мощности собственных шумов синтезируемого фильтра.

курсовая работа , добавлен 26.12.2011


Классификация фильтров по виду их амплитудно-частотных характеристик. Разработка принципиальных схем функциональных узлов. Расчет электромагнитного фильтра для разъединения электронных пучков. Определение активного сопротивления фазы выпрямителя и диода.

курсовая работа , добавлен 11.12.2012


Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.

курсовая работа , добавлен 20.07.2014


Типовая структурная схема электронного аппарата и его работа. Свойства частотного фильтра, его характеристики. Расчет входного преобразователя напряжения. Устройство и принцип действия релейного элемента. Расчет аналогового элемента выдержки времени.

курсовая работа , добавлен 14.12.2014


Рассмотрение конструкции реостатного измерительного преобразователя и принципа его работы. Изучение структурной схемы преобразования аналогового сигнала с измерительного регулятора в цифровую форму. Исследование принципа работы параллельного АЦП.

Аналого – цифровые преобразователи (АЦП) это устройства, принимающие аналоговые сигналы и вырабатывающие на выходе цифровые сигналы, пригодные для работы ЭВМ и других цифровых устройств. Характеристика преобразования отражает зависимость выходного цифрового кода от входного постоянного напряжения. Характеристика преобразования может быть задана графически, таблично или аналитически.

СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Напряжение межкодового перехода – точка, в которой равновероятны обе из соседних кодовых комбинаций.

Шаг квантования – разность соседних значений напряжений межкодового перехода.

Напряжение смещения нуля – параллельный сдвиг характеристики преобразования относительно оси абсцисс.

Отклонение коэффициента преобразования – погрешность в конце характеристики преобразования.

Нелинейность АЦП – Отклонение действительного значения входного напряжения в данной точке от действительного значения, определяемого по линеаризованной характеристике преобразования в той же точке. Выражается в числе шагов квантования или по отношению к максимальному входному напряжению в процентах.

Дифференциальная нелинейность – отклонение действительных шагов квантования от их среднего значения.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП.

1. Частота дискретизации – частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, измеряется числом выборок в секунду, или в герцах.

2. Время преобразования – время от импульса запуска АЦП или от времени изменения аналогового входного сигнала до появления устойчивого кода на выходе. Для одних АЦП эта величина зависит от входного сигнала, для других является постоянной. При работе без УВХ эта величина является апертурным временем.

3. Частотная погрешность коэффициента передачи - погрешность образования выборочных значений при работе с изменяющимися сигналами. Определяется для синусоидального входного сигнала. (Для АЦП К1107 ПВ2 8 разр., 80 МГц: П = 7 МГц по уровню 0.99).

4. Апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Состоит из апертурного сдвига и апертурной неопределенности.

В зависимости от того, как развертывается процесс преобразования во времени, АЦП делятся на:

1. Последовательные

2. Параллельные

3. Последовательно – параллельные.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ АЦП

АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.

На вход преобразователя поступает положительное напряжение. Счетчик предварительно установлен в нуль, поэтому на выходе ЦАП напряжение тоже равно 0. При этом на выходе компаратора установлена лог.1. На вход схемы 3И-НЕ поступают импульсы от генератора тактовых импульсов. Однако, так как в триггер R-S записан лог.0, то импульсы на вход счетчика не проходят.

После импульса запуска R-S триггер переходит в состояние с лог.1 на выходе и на вход счетчика начинают поступать тактовые импульсы. Число, записанное в счетчик начинает увеличиваться и соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. В некоторый момент оно сравнивается с входным напряжение на входе преобразователя, компаратор переключается в лог.0. и импульсы перестают поступать на вход счетчика. Этот сигнал от компаратора поступает также на вход RS триггера, переключая его в состояние лог.0 на выходе, что окончательно останавливает процесс преобразования. Полученный код на выходе соответствует напряжению на выходе ЦАП младшего разряда, или входному аналоговому сигналу с точностью до единицы. Далее процесс может быть повторен.

Минимальный период тактовых импульсов можно найти из условия:

Тмин ≥ tкомп. + tцифр. + tцап + tRC, где:

tкомп – задержка срабатывания компаратора,

tцифр. – задержка счетчика,

tцап – время установления ЦАП,

t RC – задержка RC – цепочки.

Пример. Рассчитаем время преобразования АЦП с числом разрядов 10.

Используемые элементы:

ЦАП – К572 ПА1: число разрядов N = 10, время установления выходного напряжения tцап = 5 ∙ 10 -6 сек. При Vоп = 10В шаг квантования

ЕМР = 10/(2 10 –1) = 10 мВ.

КОМПАРАТОР – 521 СА3 - при dV = 3 мВ tкомп = 100 нсек.

Постоянную времени RC выберем равной 0.5 ∙ 10 -6 сек.

tцифр = 0.05 ∙ 10 -6 сек,

Тмин ≥ 0.1 + 0.05 + 5. 0 + 0.5 = 5.65 мксек.

Время измерения максимального входного сигнала:

(2 10 – 1) ∙ 5,65 ∙ 10 – 6 сек = 6мсек, частота дискретизации равна 160 Гц.

Апертурное время – 6 мсек.

АЦП этого типа применяются с УВХ, или для преобразования медленно меняющихся сигналов. Погрешность АЦП определяется точностными параметрами применяемого ЦАП.

Разновидность АЦП этого типа – следящие АЦП производят преобразование непрерывно. Они используют реверсивный счетчик, а компаратор определяет направление счета. При Vвх < Vцап счетчик считает вверх, в при Vвх > Vцап счетчик считает вниз. Таким образом напряжение Vцап постоянно стремится быть равным Vвх. Максимальная скорость отслеживания входного сигнала равна: dVвх./dt < ЕМР/ Тмин.

АЦП последовательных приближений.

Процедура определения выходного кода определяется регистром последовательных приближений. В начале в регистр во все разряды записаны лог.0. Напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю. Далее в старший разряд регистра записывается лог.1. Если выходное напряжение ЦАП при этом все еще меньше входного напряжения (на выходе компаратора установлена лог.1, то далее значение лог. уровня в этом разряде сохраняется. Если же напряжение на выходе ЦАП больше Vвх., то данный разряд обнуляется и далее записывается лог.1 в следующий разряд. Таким образом определяются значения всех разрядов, включая младший. После этого выдается сигнал готовности и цикл измерения может быть повторен.

Данный тип ЦАП имеет преимущество в быстродействии по сравнению с предыдущим ЦАП, поэтому он используется наиболее широко. Время преобразования у него равно Тмин ∙ N.

Тмин – минимальное значение периода повторения тактовых импульсов определяется аналогично предыдущему ЦАП, N – число разрядов.

Пример: у интегрального АЦП 1108 ПВ2 на кристалле расположены все элементы: ЦАП, источник опорного напряжения, регистр последовательного приближения, генератор тактовых импульсов, компаратор. N = 12, минимальное время преобразования - 2 мксек.

ЦАП с время – импульсным преобразованием (способ линейного кодирования).

В АЦП этого типа используется преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал, которых заполняется импульсами эталонной частоты. Этот временной интервал формируется генератором пилообразного напряжения (ГПН) и компаратором. Число импульсов считается счетчиком который и определяет выходной код АЦП.

Быстродействие такой схемы выше, чем у ЦАП со ступенчатым пилообразным напряжением, так как у него нет ЦАП и определяется быстродействием компаратора, счетчика. Время выключения компаратора выбирается при условии того перевозбуждения, которое обеспечивает необходимую погрешность сравнения входного сигнала и пилообразного напряжения.

Для уменьшения погрешностей генератор эталонной частоты и ГПН должны быть взаимно стабильными.

Описан АЦП: N = 10, f этал = 100 МГц, t преобр. = 10 мксек.

АЦП с двухтактным интегрированием.

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность. Повышение числа разрядов связано с использованием ЦАП повышенной точности, что удорожает производство таких АЦП.

Принцип двойного интегрирования в АЦП позволяет в значительной степени освободиться от этих недостатков. Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора интегрируется входное напряжение за фиксированный интервал времени Т0. Этот интервал времени формируется счетчиком, на вход которого поступают импульсы от генератора с частотой fсч.

Интервал Т0 равен:

Т0 = Nmax ∙ tсч

Здесь tсч = 1/fсч - период частоты тактового генератора, Nmax - максимальная емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП.

Заряд на конденсаторе С после этого будет равен:

Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Vопорн. Полярность опорного напряжения противоположна полярности входного сигнала, поэтому напряжение на конденсаторе С начинает уменьшаться. Счетчик в это время считает импульсы генератора тактовой частоты fсч, начиная от нулевого состояния. В момент времени, когда компаратор проходит через нуль, счет прекращается и число записывается в выходной регистр. Заряд q2, разрядивший конденсатор равен.

Существуют различные методы компенсации статических погрешностей ЦАП. Основным классификационным признаком методов является класс учитываемых ошибок. По этому признаку выделяются следующие методы:

1. Коррекция масштаба и нулевой точки характеристики;

2. Коррекция отклонения коммутируемых мер;

3. Коррекция нелинейности общего вида (как интегральной, так и дифференциальной).

Прежде всего, коррекция погрешностей производится при изготовлении преобразователей (технологическая подгонка). Однако, часто она желательна и при использовании конкретного образца БИС в том или ином устройстве. В последнем случае коррекция проводится за счет введения в структуру устройства кроме БИС ЦАП дополнительных элементов, т. е. на структурном уровне. Вследствие этого такие методы получили название структурных.

В состав ЦАП входят различные функциональные узлы. При осуществлении подгонки каждый из узлов подгоняется независимо от других. Алгоритм подгонки должен, прежде всего, обеспечить монотонность функции преобразования, затем ее линейность, отсутствие смещения нуля и требуемый коэффициент преобразования.

Самым сложным процессом является обеспечение монотонности и линейности, ибо они определяются связанными параметрами многих элементов и узлов. Чаще всего осуществляют подгонку только смещения нуля, коэффициента преобразования и дифференциальной нелинейности симметричного типа, т.е. нелинейности обусловленной погрешностями делителя и той части погрешностей ключей, которые можно свести к погрешностям такого рода. Остального рода погрешности носят суперпозиционный характер, т.е. проявляются во взаимовлиянии элементов друг на друга. Такие погрешности выявлять, контролировать и корректировать очень сложно.

Точностные параметры, обеспечиваемые технологическими приемами, ухудшаются при воздействии на преобразователь различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь – температуры. Необходимо помнить и о факторе старения элементов.

С ростом точности затраты на разработку преобразователей и их изготовление всегда растут. С учетом всего этого улучшения метрологических показателей рационально добиваться комплексно, используя технологические приемы с различными структурными методами. А при использовании готовых интегральных преобразователей структурные методы это единственный путь дальнейшего повышения метрологических характеристик системы преобразования.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Среди структурных методов линеаризации характеристики необходимо выделить компенсационные методы и методы с контролем по тестовому сигналу.

Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением, рассчитанных на основе этого поправок, к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.

При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

1. Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.

2. Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.

3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.

4. Проведение коррекции.

Первые три пункта относятся к процессу контроля, последний пункт - к процессу преобразования, т.к. проведение коррекции осуществляется во время преобразования.

Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования. Может проводиться и с помощью специализированного оборудования встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, все то время пока преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Это обеспечивает долговременную метрологическую стабильность работы преобразователя даже при постоянном воздействии на него каких-либо дестабилизирующих факторов. Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при его работе в составе микропроцессорной измерительной системы.

Простейшая модель нелинейной составляющей погрешности ЦАП основана на допущении стабильности погрешности для каждого кода и случайной зависимости ее от кода. Очевидно, что идентификация параметров такой модели требует измерения выходного сигнала на всех допустимых кодах (метод сквозного контроля). Обязательным для этого метода является использование прецизионного измерителя.

Основной недостаток любого метода сквозного контроля – большое время контроля наряду с разнородностью и большим объемом используемой аппаратуры.

Большая группа методов контроля по тестовому сигналу основывается на предположении о независимости весов разрядов от преобразуемого кода. При этом можно составить систему независимых уравнений, число которых равно количеству корректируемых разрядов преобразователя. Часто эту систему уравнений добавляют еще двумя, определяющими погрешность смещения нуля и масштабную погрешность. Для составления каждого уравнения на вход преобразователя подают код из заданного набора. После разрешения такой системы уравнений удается найти погрешности задания каждого разряда, а, следовательно, и поправочное (компенсирующее) значение для каждого значения входного кода. Такие методы получили в настоящее время наибольшее распространение и применяются при построении микропроцессорных управляющих систем.

Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме.

При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока. Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено цифровое ЗУ (рис.17.а). Входной код играет роль адресного. В ЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.

Рис. Цифровая (а) и аналоговая (б) коррекция погрешностей ЦАП

При аналоговой коррекции (рис.17.б) кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ЗУ поправок. Из ЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.

В ряде случаев возникает необходимость проведения коррекции динамики работы ЦАП.

Переходная характеристика ЦАП при смене различных кодовых комбинаций будет различной, иными словами – различным будет время установления выходного сигнала. Поэтому при использовании ЦАП необходимо учитывать максимальное время установления. Однако в ряде случаев удается корректировать поведение передаточной характеристики.

Зададимся временем преобразования меньшим максимального времени установления. Если удастся идентифицировать динамические параметры ЦАП можно рассчитать такие поправки к входному коду ЦАП, при которых выходное значение за это заданное время будет достигать необходимого значения. В этот момент необходимо фиксировать результат преобразования последующих за ЦАП узлов системы, так как после этого момента выходной сигнал ЦАП будет продолжать изменяться, причем выходить на уровень соответствующий не входному коду, а его скорректированного значения.