Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Метою даної роботи є розробка інструменту для дослідження та покращення точності роботи ацп послідовного наближення

Метою даної роботи є розробка інструменту для дослідження та покращення точності роботи ацп послідовного наближення




Сторінка1/5
Дата конвертації08.05.2017
Розмір0.63 Mb.
  1   2   3   4   5

Вступ



Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) – компонент, який використовується для перетворення неперервного вхідного сигналу (напруги) у двійковий вихідний код.

Аналого-цифрове перетворення використовується скрізь, де потрібно обробляти, зберігати або передавати сигнал в цифровій формі. АЦП вбудовані у велику частину сучасної звукозаписної апаратури, оскільки обробка звуку робиться, як правило, на комп'ютерах; навіть при використанні аналогового запису АЦП необхідний для переведення сигналу в PCM-потік (нетиснуті аудіодані), який буде записаний на компакт-диск. Швидкі відео АЦП використовуються, наприклад, в ТБ тюнерах. Повільні вбудовані 8, 10, 12, або 16 бітові АЦП часто входять до складу мікроконтролерів. Дуже швидкі АЦП необхідні у цифрових осцилографах [1].

АЦП послідовного наближення завдяки особливостям алгоритму роботи та складовим компонентам є досить швидким та точним у порівнянні з іншими типами АПЦ, що забезпечує поширеність цього типу АПЦ. Підвищення точності перетворення АЦП є актуальною задачею, адже від точності залежить якість вихідного коду, кількість помилок на виході перетворення.

Початковий код (англ. source code; також перекладається українською як вихідний код, програмний код, джерельний код, первинний код, текст програми, у професійному середовищі також сирцевий код, у контексті код або сирці) - будь-який набір інструкцій або оголошень, написаних комп'ютерною мовою програмування у формі, що її може прочитати і модифікувати людина.

Одним із способів підвищення точності АЦП є використання надлишкових позиційних систем числення, які зумовлюють появу невикористаних вихідних кодових комбінацій [2].

Під дією зовнішніх факторів (зміна температури, тощо) невикористані кодові комбінації можуть переходити у використані та навпаки завдяки відхиленню вагових розрядів. Для дослідження цього процесу потрібне програмне забезпечення. Це дозволить визначати допустимі діапазони додатніх та від’ємних похибок вагових розрядів і таким чином уникнути відхилень у роботі АЦП послідовного наближення.

Метою даної роботи є розробка інструменту для дослідження та покращення точності роботи АЦП послідовного наближення.

Об’єктом даного дослідження є процес перетворення вхідного аналогового сигналу у вихідний двійковий код у АЦП послідовного наближення на основі різних систем числення.

Ана́логовий сигна́л - сигнал (напруга, струм тощо), неперервний на всьому проміжку часу. Аналоговий сигнал є або вираженим синусоїдальним коливанням, або, у загальному випадку, розкладеним у ряд (Фур'є) накладанням синусоїдальних коливань певної амплітуди і частоти.

Предметом даного дослідження є робота АЦП послідовного наближення на основі різних систем числення та комп’ютерні засоби моделювання його роботи.

Виходячи з цього визначимо наступні задачі, що необхідно вирішити в рамках даного дослідження:

- провести аналіз предметної області;

Предме́тна о́бласть (ПрО) - множина всіх предметів, властивості яких і відношення між якими розглядаються в науковій теорії. В логіці - гадана область можливих значень предметних змінних логічної мови.

- проаналізувати роботу АЦП на основі різних систем числення;

- на основі аналізу та існуючих засобів програмування розробити програмне забезпечення для моделювання характеристики перетворення на основі різних систем числення.

У результаті планується розробити програмний модуль, який здійснюватиме побудову графіків перетворення вхідного сигналу АЦП та дозволятиме досліджувати вплив відхилень розрядів на такі графіки.

Модуль - функціонально завершений фрагмент програми, оформлений у вигляді окремого файлу з сирцевим кодом або його іменованої частини (наприклад, Active Oberon), призначений для використання в інших програмах.

1 АНАЛОГОВО-ЦИФРОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСЛІДОВНОГО НАБЛИЖЕННЯ


    1. Алгоритм роботи АЦП послідовного наближення


Аналогово-цифровий перетворювач (АЦП, Successive Approximation Register, SAR) - один з найважливіших електронних компонентів у вимірювальному і тестовому обладнанні.

Електро́нні компоне́нти - складові частини, елементи електронних приладів. Побутова назва електронних компонентів - радіодеталі.

АЦП перетворює вхідну напругу (аналоговий сигнал) у код, над яким мікропроцесор і програмне забезпечення виконують свою роботу.

АЦП послідовного наближення реалізує алгоритм «зважування», який був винайдений ще Фібоначчі. У своїй книзі «Liber Abaci» у 1202 році Фібоначчі розглянув “задачу про вибір найкращої системи вагів” - про знаходження такого ряду вагів, який би вимагав для знаходження ваги предмета мінімальної кількості зважувань на важільних вагах. Сьогодні стандартним рішенням такого завдання є двійковий набір вагів, але іноді у сучасній техніці використовуються й інші системи числення [2].

Системою числення, або нумерацією, називається сукупність правил і знаків, за допомогою яких можна відобразити (кодувати) будь-яке невід'ємне число. До систем числення висуваються певні вимоги, серед яких найбільш важливими є вимоги однозначного кодування невід'ємних чисел 0, 1,… з деякої їх скінченної множини - діапазону Р за скінченне число кроків і можливості виконання щодо чисел арифметичних і логічних операцій. Крім того, системи числення розв'язують задачу нумерації, тобто ефективного переходу від зображень чисел до номерів, які в даному випадку повинні мати мінімальну кількість цифр. Від вдалого чи невдалого вибору системи числення залежить ефективність розв'язання зазначених задач і її використання на практиці.

Аналого-цифровий перетворювач послідовного наближення вимірює величину вхідного сигналу, здійснюючи ряд послідовних “зважувань”, тобто порівнянь величини вхідної напруги з низкою величин, які генеруються цифро-аналоговим перетворюючем, таким чином:



  1. На першому кроці на виході вбудованого цифро-аналогового перетворювача встановлюється величина, що дорівнює 1/2Uref (тут і далі ми припускаємо , що сигнал знаходиться в інтервалі 0 - Uref ) . Uref – максимальна напруга, яку може обробити АЦП, яка визначається його розрядністю і рівна сумі вагів усіх розрядів.

  2. Якщо сигнал більше величини, отриманої у результаті кроку 1, то він порівнюється з напругою, яка знаходиться посередині інтервалу, що залишився. Тобто, у даному прикладі - 3/4Uref . Якщо сигнал менше встановленого рівня, то таке порівняння буде проводитися з меншою половиною інтервалу, що залишився. Тобто з рівнем 1/4Uref.

  3. Крок 2 повторюється кількість разів, яка є рівною кількості розрядів АЦП. Таким чином, N порівнянь (“зважувань) породжує N біт результату.

Приклад роботи 8-розрядного АЦП послідовного наближення наведено на рисунку 1.1.


Вимірювана
напруга



Час перетворення

Двійковий код перетворення

Час

Рисунок 1.1 - Приклад роботи АЦП послідовного наближення
АЦП послідовного наближення складається з наступних вузлів, компонентів (рисунок 1.2) [3]:

1. Компаратор: порівнює вхідну величину і поточне значення “вагової” напруги (на рисунку 2 позначений трикутником).

2. Цифро-аналоговий перетворювач (Digital to Analog Converter, DAC): генерує “вагове” значення напруги на основі цифрового коду, який подається на його вхід.

Ци́фро-ана́логовий перетво́рювач (ЦАП; англ. DAC - Digital-to-Analog Convertor) - електронний пристрій для перетворення цифрового (як правило двійкового) сигналу на аналоговий. Пристрій, що виконує зворотну дію, називається аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП).



Варто враховувати, що робота АЦП послідовного наближення має особливість, пов'язану з перехідними процесами у внутрішньому ЦАП. Теоретич-но, напруга на виході ЦАП для кожного з N внутрішніх тактів перетворення має встановлюватися за однаковий проміжок часу. Але насправді цей проміжок в пер-ших тактах значно більше, ніж в останніх. Тому час перетворення 16-розрядного АЦП послідовного наближення більш ніж у два рази перевищує час перетворення 8-розрядного АЦП цього ж типу.

3. Регістр послідовного наближення (Successive Approximation Register, SAR): здійснює алгоритм послідовного наближення, генеруючи поточне значення коду, яке подається на вхід ЦАП. За його назвою названа вся архітектура АЦП.

4. Схема вибірки-зберігання (Sample/Hold, S/H): “запам'ятовує” поточне значення аналогового сигналу і зберігає його незмінним протягом усього циклу роботи пристрою.

Для роботи АЦП принципово важливо, щоб вхідна напруга зберігала незмінну величину протягом усього циклу перетворення. Однак “реальні” сигнали мають властивість змінюватися в часі .

Перевагою пристрою є відносно висока швидкість перетворення: час перетворення N-бітного АЦП становить N тактів. Точність перетворення обмежена точністю внутрішнього ЦАП і може складати 16-18, 24 біт.


Рисунок 1.2 - Структурна схема АЦП послідовного наближення











Клас АЦП послідовного наближення є технічним компромісом між точністю і швидкодією, знаходить широке застосування - як при побудові цифрових вимірювальних приладів, так і в різних системах цифрової обробки швидко змінних сигналів.

Структу́рна схе́ма - схема, яка визначає основні функціональні частини виробу, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.

Вимі́рювальний при́лад (рос. измерительный прибор; англ. indicating instrument; measuring instrument; нім. Ausmessungsgerät n, Messgerät n) - засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірюваної інформації.

Клас АЦП послідовного наближення має середню швидкодію, а його точність визначається розряжністю внутрішнього цифро-аналогового перетворювача.


    1. Основні характеристики АЦП послідовного наближення

Характеристики роботи АЦП - це набір параметрів, які визначають точність, діапазон відхилення роботи, допустимі похибки для компоненту. Похибки АЦП виникають у зв’язку з неточністю роботи його складових ком-понентів, під впливом зовнішніх факторів (температури, вологості тощо) [5].



      1. Статичні характеристики

Статичні параметри АЦП не залежать від часу, до них відносяться:

  • Напруга зміщення нуля - це паралельний зсув реальної характеристики перетворення АЦП уздовж осі абсцис визначається напругою зміщення нуля - дійсним значенням вхідної напруги в точці характеристики перетворення, відповідної номінальному нульового значення цієї напруги.

  • Абсолютна похибка - це максимальне відхилення між ідеальною прямолінійною і реальної передавальними функціями, у тому числі всередині інтервалів квантування. Мінімальна абсолютна похибка, таким чином, дорівнює похибки квантування 1/2 значення молодшого розрозряду.

  • Похибка зміщення або адитивна - це відхилення фактичної переда-вальної функції АЦП від прямолінійної передавальної функції ідеального АЦП при нульовій вхідній напрузі. Приклади зміщень на рисунку 1.3.


Рисунок 1.3 – Похибка зміщення

а) додатня б) від’ємна


  • Передавальна похибка або мульплікативна - це відхилення в середній точці останнього інтервалу дискретизації від ідеальної прямої лінії після компенсації похибки зсуву.

    Передавальна функція (англ. Transfer function) - функція, що описує залежність виходів деякої динамічної лінійної стаціонарної системи від її входів. Також відома як системна або мережева функція. Є математичним представленням моделі чорного ящика деякої системи.

    Пряма́ - одне з основних понять геометрії. При систематичному викладі геометрії пряма лінія зазвичай приймається за одне з вихідних понять, яке лише опосередковано визначається аксіомами геометрії. Якщо основою побудови геометрії служить поняття відстані між двома точками простору, то пряму лінію можна визначити як лінію, шлях уздовж якої дорівнює відстані між двома точками.

    Після компенсації всіх похибок зміщення нульового вхідному напрузі завжди відповідає нульове вихідне значення. Однак, під впливом передавальних похибок змінюється нахил фактичної передавальної функції щодо ідеального нахилу. Дана передавальна похибка може бути виміряна і компенсована шляхом масштабування вихідних значень. Приклад передавальної похибки наведено на рисунку 1.4.


Рисунок 1.4 – Передавальна похибка

а) додатня б) від’ємна


  • Нелінійність - після компенсації похибки зсуву і передавальної похибки фактична передавальна функція повинна збігатися з передавальної функцією досконалого АЦП. Проте, зважаючи на нелінійність АЦП, фактична крива може злегка відхилятися від досконалої кривої, навіть якщо обидві криві збігаються в районі 0 і в точці вимірювання передавальної похибки. Виділяють два типи не лінійності – диференціальна (рисунок 1.5, а) та інтегральна (рисунок 1.5, б).

Диференціальна (ДНЛ) - максимальне і мінімальне відхилення фактичної ширини інтервалу від ширини інтервалу досконалого АЦП (1 мл.розр.). Характерна для всіх інтервалів дискретизації і призводить до варіювання їх розмірів. Інтегральна (ІНЛ) - максимальне відхилення по вертикалі між фактичною і досконалої характеристиками перетворення АЦП.

Рисунок 1.5 – Нелінійність АЦП

а) диференціальна б) інтегральна


      1. Динамічні характеристики

Динамічні характеристики визначають за допомогою спектрального аналізу, за результатами виконання швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) над масивом вихідних значень АЦП, відповідні для деякого тестового вхідного сигналу [6].

До динамічних характеристик відносяться:



  • Загальні гармонічні відхилення - нелінійність в результатах перетворення даних призводить до появи гармонійних спотворень; величина, що виражає ступінь нелінійних спотворень пристрою, що дорівнює відношенню середньоквадратичної напруги суми вищих гармонік сигналу, крім першої, до напруги першої гармоніки при дії на вхід пристрою синусоїдального сигналу.

    Спотворення сигналу - зміни сигналу, викликані розбіжністю ідеальних і реальних характеристик систем його обробки та передачі. В залежності від характеру змін спектру вхідного сигналу поділяються на нелінійні (частотні, інтермодуляційні, фазові), динамічні тощо.



Такі спотворення спостерігаються як "викиди" в спектрі частот на парних і непарних гармоніках вимірюваного сигналу (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Загальні гармонічні відхилення




  • Відношення сигнал/шум (SNR) - це відношення середньоквадратичного значення величини вхідного сигналу до середньоквадратичного значенням величини шуму (за винятком гармонійних спотворень), виражене в децибелах. Це значення дозволяє визначити частку шуму у вимірюваному сигналі по відно-шенню до корисного сигналу. Графічне представлення наведено на рисунку 1.7.


Рисунок 1.7 – Відношення сигнал/шум




  • Динамічний діапазон, вільний від гармонік (SFDR) - це різниця між величиною вимірюваного сигналу і найбільшим піком спотворень. Динаміч-ний діапазон обмежений знизу амплітудою максимальної гармоніки паразит-них викидів на виході АЦП в діапазоні його робочих частот (рисунок 1.8).


Рисунок 1.8 – Динамічний діапазон, вільний від гармонік




      1. Характеристика перетворення

Характеристика перетворення або передавальна характеристика АЦП - це функція залежності коду на виході АЦП від напруги на його вході.

Динамічний діапазон (англ. Dynamic range, DR or DNR) - це співвідношення між найбільшим і найменшим можливими значеннями якості, що може бути змінена, такої як в сигналах на кшталт звуку і світла. Він вимірюється як співвідношення або за базою 10 (децибел) або 2 (дублювання, біти чи стопи) логарифмічне значення.

Такий графік є кусково-лінійною функцію з
"ступенів", де N – розрядність, - основа системи числення, у якій працює АЦП.

Передавальна характеристика є одним із основних параметрів АЦП, який показує погрішності дискретизації, квантування.

Кожен горизонтальний відрізок передатної характеристики відповідає одному зі значень вихідного коду АЦП . Якщо з'єднати лініями початки цих горизонтальних відрізків (на кордонах переходу від одного значення коду до іншого), то ідеальна передавальна характеристика буде прямою лінією, що проходить через початок координат.

Початок координат - точка, де осі системи координат перетинаються. Початок координат поділяє кожну вісь системи на дві половини: позитивну та від'ємну.



Рисунок 1.9 ілюструє ідеальну передавальну характеристику для 3-х розрядного АЦП з контрольними точками на кордонах переходу коду та = 2. Вихідний код приймає найменше значення (000) при значенні вхідного сигналу від 0 до 1/8 повної шкали (максимального значення коду цього АЦП).


Вихідний двійковий код

Вхідна напруга
http://www.efo.ru/images/silabs/article/01/pic_07.jpg
Рисунок 1.9 – Ідеальна передатна характеристика для 3-розрядного АЦП

Також слід зазначити, що АЦП, зображене на рисунку 1.9, досягне значення коду повної шкали (111b) при 7/8 повної шкали, а не при значенні повної шкали. Таким чином перехід в максимальне значення на виході відбувається не при напрузі повної шкали, а при значенні, меншому на найменший значущий розряд (Least significant bit, LSB), ніж вхідна напруга повної шкали.

Можливість появи розривів передавальної характеристика - один з най-більш істотних недоліків ненадлишкових перетворювачів інформації. Вини-кають зазначені розриви через невідповідність реальних ваг розрядів перет-ворювача інформації необхідним значенням. Можна розривів у переда-вальній характеристиці використовуючи надлишкові системи числення.




    1. Методи коригування похибок АЦП послідовного наближення

Похибки, як розглянуто раніше, обумовлені в основному неточністю електронних компонентів АЦП та зовнішнім впливом на них різноманітних чинників, наприклад, температури повітря. Тому існує ряд методів, які базуються на уведенні структурної надлишковості, що виражається у використанні додаткових аналогових та цифрових вузлів, а також функціональних блоків [6]. До них належать:



  1. Методи підвищення точності співвідношення елементів у конденсаторній матриці ЦАПу, які зменшують похибку не лінійності.

  2. Компенсаційні методи, які дозволяють зменшити паразитний вплив кодонезалежних струмів, що протікають по загальних шинах землі та живлення, стабілізують потужність, що розсіюється на тепловий режим схеми.

  3. Методи, засновані на багатократному вимірюванні, зокрема, на вимірюванні кількома перетворювачами з різними характеристиками, а також на вимірюванні різних параметрів одного процесу.

  4. Додаткові калібрувальні таблиці або поправки на температуру.

  5. Група методів автоматичного коригування або самокалібрування реалізованих у прецизійних перетворювачах інформації, базується на припущенні про незалежність розрядних опорних мір від коду, який підлягає перетворенню.

  6. Методи, засновані на врівноважуванні опорного сигналу, які дозволяють усунути занижене чи завищене значення всіх ємностей основної матриці, що обумовлено відхиленнями в технологічному процесі.

    Опо́рний сигна́л або сигна́л-носі́й - сигнал, один або кілька параметрів якого підлягають зміні в процесі модуляції, ступінь якої визначається миттєвим значенням інформаційного сигналу, що модулює його.

    Технологі́чний проце́с - це впорядкована послідовність взаємопов'язаних дій та операцій, що виконуються над початковими даними до отримання необхідного результату.



  7. Методи, що передбачають вимір зсуву нуля на початковому етапі перетворення, і отриманий код надалі використовується в процесі основного перетворення для усунення похибки зсуву нуля.

Головним недоліком усіх наведених методів самокалібрування є те, що ця процедура виконується в аналого-цифровій формі, тобто визначений коригуючий код подається на додатковий (або додаткові) цифро-аналоговий перетворювач, який перетворює його на аналогову поправку. Таким чином, виникає необхідність використання досить точних додаткових ЦАП, а процедура введення поправки в деяких випадках призводить до зменшення швидкодії.

Принципово іншим напрямком покращення

  1   2   3   4   5