Тестирование и предельные метрологические возможности импульсно-потенциального АЦП в СнК ИТА ЮФУ, МНТЦ «Мик Ан» Крутчинский С.Г. Жебрун Е.А.

Доминирующими факторами, ограничивающими точность аналоговых интерфейсов и АЦП являются: - диапазон линейной работы по напряжению, - дрейф нуля, - неидеальность УВХ (для классических АЦП) Исходные предпосылки Диапазон линейной работы по напряжению задаётся преимущественно технологическим процессом, особенно это следует учитывать при использовании стандартных низковольтовых КМОП-транзисторов Существуют два базовых подхода для компенсации влияния дрейфа нуля аналоговых интерфейсов на точность АЦ-преобразования: -испытания на стенде с созданием таблицы для коррекции изготовленных схем -внутрисистемная коррекция через процедуру инициализации (встроенный ЦАП)

Преимущества использования импульсно- потенциального АЦП Методическая погрешность такого преобразования определяется периодом колебаний тактового генератора (2t fT ) ; Предельная разрядность преобразования определяется емкостью счётчиков цифровой части; При использовании стандартной 0,18 мкм КМОП технологии частота счётчиков может достигать 2ГГц, что обеспечивает 6 к Гц частоту преобразования при 16bit точности и 100 к Гц при 12bit; Измерение "малых" величин осуществляется с более высокой точностью в силу принципа квантования по энергии ; Структурные особенности АЦП обеспечивают: Оценку производной измеряемой величины; Возможность асинхронной работы параллельных каналов преобразования и программируемого ядра МЭС; Интеграцию в смешанные СнК и СвК без специальных интерфейсов.

Структура АЦП импульсно-потенциального типа

Приращение длительности положительного импульса, вызванное влиянием случайных воздействий: при двойной разрядности преобразования t и и наихудшего случая получим взаимосвязь параметров проектирования АЦП при условии, что найденная погрешность не превышает погрешность метода преобразования: Например, при диапазоне рабочих частот в 100 к Гц при f T =2ГГц, τ=150 мкс, n=12, m=4 оказывается достаточным при Δ 1 =100 мкВ для определения постоянной времени интегратора можно использовать неравенство: В случае влияния белого шума: где - среднеквадратическое ( ) значение случайной составляющей на выходе аналогового интегратора. Если статический коэффициент усиления ОУ достаточно велик: (для стационарного процесса с постоянным спектром от –f n до +f n ) Тогда:

Архитектура цифровой части В случае использовании реверсивных счетчиков чувствительность измеряемых величин минимизируется (Т и -Т п, t и -t п, t и -Т и ) Принцип взаимодействия аналоговой части АЦП с системой двоичных счётчиков Управление работой счётчиков и вспомогательных регистров Временная диаграмма работы АЦП в режиме тестирования

1. b e =0, b E =0; (e x 0, E 0 0) 2. Измерение длительности Т п (заполнение СТ1) 3. Измерение длительности Т и (заполнение СТ3 в инкрементирующем режиме, декрементирование СТ2) 4. Измерение длительности t п (заполнение СТ1, декрементирование СТ4, b e =1, b E =0 : e x =0, S1 разомкнут) 5. Измерение длительности t и (заполнение СТ2 в инкрементирующем режиме, заполнение СТ4 в инкрементирующем режиме, b e =0, b E =1 : E 0 =0, S2 разомкнут) 6. Начало основного цикла работы АЦП (b e =0, b E =0 : e x 0, E 0 0) 7. Измерение длительности Т п (заполнение СТ1, декрементирование СТ3) 8. Измерение длительности Т и (заполнение СТ3 в инкрементирующем режиме) 9. Реализация соотношения для вычисления e x : E0·(RG32/RG12)+E0·(RG31/RG22)·(RG32/RG12-RG4/RG11) 10. Переход к началу основного цикла работы АЦП (шаг 6) либо конец работы алгоритма

Основные выводы Полученные в работе результаты тестирования влияния дрейфа нуля аналоговых трактов на результаты АЦ-преобразования позволяют минимизировать действие доминирующих технологических погрешностей изготовления полупроводниковых компонентов; Управление опорным источником и отключение входной величины может быть легко реализовано в современных MEMS мостового типа; За счёт тестового периода (совокупности фаз) вычисляются поправочная составляющая измеряемой величины, обеспечивающая предельную точность преобразования; При необходимости процедура тестирования может быть осуществлена повторно в ходе работы системы; Вводимый интервал тестирования не изменяет базовых свойств АЦП – асинхронность, режим прямого доступа к ОЗУ результатов преобразования, низкое влияние параметров аналоговых компонентов, а также возможность оценки производной входной величины, низкое влияние шумов и импульсных помех; Совокупность указанных результатов обеспечивает импульсно- потенциальному АЦП серьёзные преимущества в СФ блоках СнК, ориентированных на датчиковую и диагностическую аппаратуру.