Аналого-цифровой преобразователь с самоконтролем и реконфигурацией подсистемы контроля корабельного ЗРК

Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

(4.1)

 

Эта погрешность  является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается  соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

Обычно  определяется по формуле

(4.2)

 

где U_вх.01 – значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

(4.3)

Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП  могут быть уменьшены либо подстройкой  аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.

Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.

Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(U_вх) от оптимальной (линия 2 на рисунке 4.1). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Для характеристики, приведенной на рисунке 4.2.

 

(4.4)

 

Дифференциальной  нелинейностью АЦП в данной точке  k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

Для характеристики, приведенной на рисунке 4.2,

 

(4.5)

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 Погрешность линейной характеристики преобразования АЦП

 

Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рисунке 4.2.

Монотонность  характеристики преобразования - это  неизменность знака приращения выходного  кода D при монотонном изменении  входного преобразуемого сигнала.

Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

 

4.2 Динамические параметры

 

Возникновение динамических погрешностей связано  с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие  параметры АЦП, определяющие его  динамическую точность.

Максимальная  частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой  происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду.

Время преобразования (t_пр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, примерно постоянной.

Время выборки (стробирования) - время, в течение  которого происходит образование одного выборочного значения.

 

5 Анализ прототипов

5.1 Зарубежные аналоги

 

1) AD7892:

Фирма «Analog Devices», страна производитель - США.

Функциональное  назначение и основные характеристики:

Архитектура: последовательного приближения (SAR). Разрядность- 12 разрядов. Производительность - до 600 KSPS*. Питание: один источник +5В. Мощность потребления: не более 100мВт. Состав: собственно АЦП, УВХ с малой апертурной задержкой,  ИОН +2,5 В. Порт параллельный, 3-х уровневый, 12 bit или последовательный. Диапазон входных напряжений:    10В или 5В (AD7892-1), 0…+2,5B (AD7892-2) и 2,5B (AD7892-3).

2) AD7864:    

Фирма «Analog Devices», страна производитель США.

Функциональное  назначение и основные характеристики:

Разрядность – 12 разрядов. Производительность –  до 130 KSPS. Питание: один источник +5В. Мощность потребления не более 150мВт. Диапазон входных напряжений 10B (Для AD7864-1, 0В…+2,5В и 0В…+5В для AD7864-2, 2,5В для AD7864-3). Состав четыре УВХ, четырехканальный мультиплексор, собственно АЦП и ИОН +2,4В. Порт параллельный 12 bit.

3) AD676, AD677:

Фирма «Analog Devices», страна производитель США.

Функциональное  назначение и основные характеристики:

Архитектура последовательного приближения  с распределением зарядов на переключаемых  конденсаторах. Разрядность 16 разрядов. Производительность не менее 100 KSPS. Питание от трех источников напряжения +5В, +12В и -12В. Потребляемая мощность не более 360 мВт. Прибор обеспечивает высокое значение SINAD (S/N + D=85 dB), малые нелинейные искажения (-90 dB), малые интермодуляционные искажения второго(-102 dB) и третьего порядка (-98 dB). Входная полоса частот не менее 1Мгц. Аппертурная дрожь 0,1 нсек. Встроенная система автоматической калибровки. Порт параллельный 16 бит (AD676) и последовательный (AD677).

4) AD7893:

Фирма «Analog Devices», страна производитель США.

Функциональное  назначение и основные характеристики:

КМОП АЦП  последовательного приближения. Разрядность  – 12 разрядов. Время преобразования 6мкс; полное время взятия отсчета 1,5 мкс; дифференциальная нелинейность преобразования 1 EMP; быстродействующий последовательный интерфейс с простым протоколом обмена; сигнал/шум 70 дБ; К_г – 80 дБ; интермодуляционные искажения – 80дБ; входное напряжение: 10B, 2,5B; 0В до +2,5В или 0В до +5В в зависимости от варианта исполнения; Питание: один источник +5В; Потребляемая мощность  не более 45 мВт.

5) AD9288:

Фирма «Analog Devices», страна производитель США.

Функциональное  назначение и основные характеристики:

Скоростной  АЦП со встроенным УВХ. Архитектура: комбинированная: прямого преобразования(flash), охватывающая 3 младших разряда, и многокаскадная конвейерная (pipelined) – 5 старших разрядов. Два независимых канала с возможностью синхронной работы. Разрядность – 8 разрядов. Производительность – 1…100,80,40 MSPS*. Питание +3В. Питание выходных цепей интерфейса +3В осуществляется раздельно. Суммарная мощность потребления: не более 220 мВт. Входная полоса частот не менее 475 МГц.

*MSPS-n миллионов преобразований, а секунду.

KSPS-n тысяч преобразований в секунду.

 

 

 

5.2 Отечественные аналоги

 

1) 572ПВ1:

АО «Альфа»  г. Рига

Основные  характеристики:

Разрядность-12 разрядов, напряжение питания+5В/+15В/Ток  потребления 3мА/5мА, интегральная нелинейность  2 МЗР. Время преобразования 170мкс. Технология - КМОП, ИОН –внешний. Корпус 4134.28-2. Номер ТУ бКО.347.182-ТУ3 Особенности - последовательного приближения.

2) 1108ПВ2:

Основные  характеристики:

Разрядность-12 разрядов, напряжение питания+5В/-6В /Ток  потребления80мА/150мА, интегральная нелинейность 2 МЗР, Время преобразования 2мкс. Технология - биполярная, ИОН - внутренний. Корпус 2123.40-6. Номер ТУ бКО 347.347-05ТУ. Особенности - последовательного приближения.

3) 1160ПВ1:

Основные  характеристики:

Разрядность-12 разрядов.

цифровая  часть микросхемы:

напряжение  питания +5В/ -5,2 / Ток потребления 350мА/300мА.

аналоговая  часть микросхемы:

напряжение  питания+9В/-9В / Ток потребления 100мА/100мА,

Интегральная  нелинейность 0,375, максимальная частота преобразования – 5МГц, ИОН- внешний. Особенности- конвейерный.

Анализ зарубежных и отечественных АЦП показал, что они  не имеют схем самоконтроля, что значительно снижает надежность АЦП.

 

 

6. Разработка схемы электрической принципиальной

 

При выборе элементной базы необходимо руководствоваться  в основном быстродействием, потребляемой мощностью и выходными логическими  уровнями U₀ и U_1. Так как в ТЗ время преобразования задано не менее 1мс, то при использовании последовательного АЦП время такта преобразования должно составлять 1/12 мс = 0,085мс=85 мкс. Учитывая, что ТТЛ серия обеспечивает высокое быстродействие (в том числе и работу с тактом от 1мкс до 85 мкс) с малой потребляемой мощностью, а также учитывая необходимость использования логических уровней ТТЛ серии для согласования с работой аналоговых схем, выбираем ТТЛ серию для цифровых микросхем.

В данном устройстве, преимущественно  используются  цифровые микросхемы серий 533 (ТТЛ), и аналоговые 590 (КМОП). Рассмотрим более подробно преимущества ТТЛ серии.

 

6.1 Общие сведения о микросхемах

 

В зависимости от технологии изготовления интегральные схемы (ИС) подразделяются на серии, различающиеся физическими параметрами базовых элементов, а также числом и функциональным назначением входящих в их состав микросхем. В настоящее время разработано несколько десятков технологий изготовления ИС. Наиболее широкое применение находят ИС, изготовляемые по ТТЛ и КМОП технологиям. Каждая технология совершенствуется с целью увеличения быстродействия ИС, уменьшения потребляемой мощности и увеличения степени интеграции числа элементов, размещаемых на кристалле заданной площади.

Семейство интегральных микросхем  ТТЛ состоит из логических схем, быстрое развитие которых связано  с их более высоким быстродействием  по сравнению с РТЛ - схемами (резистороно -транзисторная логика) и ДТЛ - схемами (диодно-транзисторная логика) и, кроме того, с более простой технологией изготовления. Хорошие характеристики ТТЛ - схем и существенное снижение их стоимости в последние годы привели к тому, что в настоящее время это семейство имеет широкое распространение.

Помимо этого существуют серии  ТТЛ ИС, основанные на применении диодов Шоттки, предотвращающих режим глубокого насыщения транзисторов, что значительно увеличивает скорость переключения вентилей. Благодаря применению транзисторов и диодов Шоттки можно уменьшить рассеянную мощность ТТЛШ вентиля в пять раз по сравнению со стандартным ТТЛ - вентилем, не увеличивая при этом время задержки. Наиболее перспективными являются ИС с диодами Шоттки. В настоящее время широкое применение при проектировании цифровой аппаратуры находит серия 533.

Наиболее важным параметром, характеризующим качество серий ИС, является работа переключения - произведение среднего времени задержки сигналов в вентиле на мощность потребления вентиля.

Проведем сравнительный анализ различных систем интегральных схем. Все логические элементы в настоящее  время принято характеризовать  совокупностью следующих показателей:

- быстродействие;

- потребляемая мощность;

- работа переключения;

- помехоустойчивость;

- логические возможности;

- стоимость;

- надежность;

- внешние условия применения.

Общепринятым показателем быстродействия принято считать среднюю задержку распространения информации на один вентиль:             

(6.1)

где:                                                                                       

Быстродействующие ТТЛ с диодами  Шоттки (ТТЛШ), имеют типовые значения:

                                                                                                

Высокое быстродействие в ТТЛШ обеспечивается благодаря нелинейной обратной связи, устраняющей насыщение транзисторов.

В настоящее время применяются маломощные ТТЛШ - схемы с типовыми значениями:

 

Для характеристики потребляемой мощности применяется показатель средней  мощности:

                                                                                                       (6.2)

 

где  Р_выкл – потребляемая мощность в состоянии ‘включено’;

Р_вкл – потребляемая мощность в состоянии ‘выключено’.

Для схем, потребляющих большую мощность во время переходных процессов переключения, вводят среднюю мощность при максимальной частоте.

Типовое значение средней мощности на вентиль:

- для быстродействующих ТТЛШ - схем Р_ср=20 мВт/вент;

- для маломощных ТТЛШ - схем   Р_ср=2,1 мВт/вент;

В последнее время для оценки интегральных схем (ИС) введено понятие  фактора качества, определяемое работой  переключения А_п, равной произведению средней потребляемой мощности на среднюю задержку распространения. Типовое значение работы переключения:

- для  быстродействующих ТТЛШ - схем  А_п = 60 пДж/вент;

- для маломощных ТТЛШ - схем   А_п = 26 пДж/вент;

Помехоустойчивость чаще всего  характеризуют напряжением помехи U_пом, при подаче которого между выходом предыдущего и входом данного элемента, работоспособность последнего не нарушается, помехоустойчивость системы элементов определяет насколько ‘жесткими’ будут при конструировании аппаратуры требования к линиям связи как на платах, где размещаются микросхемы, так и в особенности между блоками. Помехоустойчивость при температуре окружающей среды

Т_окр = 25 ± 10 °С для:

ТТЛШ U_пом » 1,0 В (при Т_окр = 125 °С U_пом =0,4 ¸ 0,5 В).

 

Под логическими возможностями  понимают такие качества системы  элементов, которые определяют, при  каком количестве корпусов микросхем  и при какой суммарной потребляемой мощности может быть выполнена поставленная перед разработчиком задача. Логические возможности можно характеризовать  следующими факторами: