Коррекция динамических погрешностей ППАЦП

В последнее время в технике аналого-цифрового преобразования все большее внимание уделяется улучшению динамических характеристик преобразователей. Инерционные свойства АЦП, как и любого другого измерительного прибора, проявляются, в наличии динамических погрешностей. Эти погрешности обусловлены переходными процессами, происходящими в узлах АЦП во время преобразования (динамические погрешности первого рода) и изменением сигнала во время преобразования (динамические погрешности второго рода). Величины этих погрешностей зависят от динамических параметров используемых элементов, алгоритма аналого-цифрового преобразования и характеристик сигнала – ширины его спектра (максимальной возможной скорости его изменения).

Уменьшение динамических погрешностей первого рода достигается в основном совершенствованием элементной базы (операционных усилителей, ЦАП и т. д.).

Одними из самых распространенных методов устранения динамических погрешностей второго рода является либо использование УВХ, фиксирующего значение напряжения на входе преобразователя в момент начала преобразования, либо включение линии задержки (ЛЗ) в многоотсчетных АЦП, учитывающих изменение входного сигнала за время формирования сигналов, преобразуемых различными каналами, например, в параллельно-последовательных АЦП. Однако эти методы применяются в АЦП лишь достаточно низкой точности (8–10 двоичных разрядов). Дело в том, что интегральные УВХ обычно не обеспечивают большей точности фиксации напряжения в течение всего времени преобразования, а применение ЛЗ ограничивается практическими трудностями в согласовании темпа работы узлов АЦП с величиной задержки. Применение специально разработанных схем УВХ и ЛЗ, как правило, связано с большими затратами. Все это привело к поиску и использованию структурных методов компенсации таких погрешностей.

Рассмотрим применение структурных методов компенсации динамических погрешностей в ППАЦП.

Если входной сигнал за время работы ППАЦП остается постоянным, то максимальная величина разностного сигнала на выходе вычитателя не может быть больше кванта дискретизации (веса младшего разряда) АЦП1. Коэффициент усиления усилителя при этом в соответствии с (1) выбирается так, чтобы привести такой максимальный сигнал к диапазону входного сигнала АЦП2. Однако если входной сигнал меняется по величине, то ко времени срабатывания АЦП2 за время, необходимое для срабатывания АЦП1 и ЦАП, разностный сигнал может принять значение большее кванта АЦП1. Будем считать, что исходя из конкретных динамических характеристик входного сигнала, максимальная величина разностного сигнала будет принимать некоторое значение ΔU_{МАХ ДИН}..

Тогда после его усиления сигнал на входе АЦП2 может выйти из диапазона рабочих напряжений АЦП2. При этом на выходе АЦП2 будет формироваться максимально возможный код, не соответствующий, однако, значению напряжению, поступающему на вход АЦП2 из-за превышения им диапазона АЦП2. Вследствие формирования отсчета АЦП2 с погрешностью выходной код устройства также будет формироваться с погрешностью.

Т. к. появление такой погрешности обусловлено изменением входного сигнала в процессе работы АЦП, то она по своей сущности является динамической погрешностью второго рода.

Условно можно сказать, что погрешность возникла из-за того, что диапазона АЦП2 не хватило для того, чтобы закодировать чрезмерно большой сигнал на его входе. Погрешность δ_Д, с которой сформировался при этом выходной код N_ВЫХ ППАЦП, соответствует разности напряжения на входе АЦП2 в момент его срабатывания и максимальным напряжением диапазона этого АЦП2. Величина этой погрешности равна

δ_Д = (U_АЦП2 – U_{АЦП2 МАХ}) К_АЦП2,

где: К_АЦП2, – коэффициент преобразования АЦП2

Таким образом, для исключения этой погрешности, необходимо увеличить диапазон работы АЦП2 настолько, чтобы в его рамки умещался усиленный разносный сигналΔU, формируемый с учетом изменения входного напряжения за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя. Увеличение диапазона работы АЦП2 равносильно появлению у него дополнительных старших разрядов. А с точки зрения построения ППАЦП это будет означать, что у АЦП2 появятся разряды, по весу совпадающие с весами младших разрядов АЦП1. Говорят, что при этом возникает перекрытие диапазонов (шкал) работы первой и второй ступени ППАЦП, или иными словами, с точки зрения рассмотрения ППАЦП как грубо-точной системы – перекрытие шкал грубого и точного ее каналов. За счет появления в кодах АЦП1 и АЦП2 разрядов с одинаковыми весам выходной код ППАЦП должен определяться как сумма кодов АЦП1 и АЦП2.

Для увеличения диапазона работы АЦП2 необходимо уменьшить коэффициент усиления разностного усилителя К_У, по сравнению со значением рассчитываемым в соответствии с формулой (1) по крайней мере в w2 раз.

w2 = (g_НОМ + ΔU_{МАХ ДИН}) / g_НОМ,, (3)

где: ΔU_{ДИН МАХ} – максимально возможное изменение входного сигнала за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя.

Если после введения перекрытия шкал каналов мы должны в качестве АЦП2 использовать ту же самую БИС, то увеличение весов ее разрядов будет означать уменьшение разрядности выходного кода ППАЦП в целом. В конечном итоге, это будет означать уменьшение статической точности ППАЦП. Однако за счет компенсации динамических погрешностей общая точность преобразования при этом по сравнению с точностью преобразования без перекрытия повысится.

При построении реальных ППАЦП, когда нужно получить заданную разрядности выходного кода ППАЦП, введение перекрытия означает необходимость использования в качестве АЦП1 и АЦП2 таких БИС, чтобы сумма их разрядностей за вычетом числа перекрывающихся разрядов составляла нужное значение разрядности выходного кода..

Уменьшение входного напряжения за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя может привести к тому, что значение разностного сигнала и соответственно напряжение на входе АЦП2 станет отрицательным. Это может существенно усложнить построение ППАЦП, т. к. потребует АЦП2, работающего с двухполярным входным напряжением. В свою очередь это потребует строить выходной двоичный сумматор, производящий с учетом знакаразностного сигнал ΔU либо сложение, либо вычитание кодов N1 и N2. Такого усложнения схемы можно избежать если во входной сигнал АЦП1 ввести постоянное смещение. Полярность и величину смещения выбирают такими, чтобы при U_ВХ = 0 разностный сигал ΔU составлял половину шкалы преобразователя АЦП2 При вводе такого смещения разностный сигнал ΔU будет однополярным как при увеличении так и при уменьшении входного напряжения за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя. Если введено перекрытие, то это постоянное смещение в грубом канале будет автоматически отрабатываться в точном канале. Таким образом величина ΔU_{МАХ ДИН} в формуле (3) должна учитывать полный размах возможных изменений входного напряжения за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя как в сторону увеличения так и в сторону уменьшения этого напряжения.

В заключение отметим, что за счет введения перекрытия компенсироваться будут динамические погрешности вызванные изменением входного напряжения за время работы АЦП1, ЦАП и вычитателя. Динамические погрешности, вызванные изменением входного напряжения за время работы АЦП2, компенсироваться не будут. Они будут определять тот уровень динамических погрешностей, с которыми нам придется мириться. Однако практика построения таких преобразователей показывает, что время работы ППАЦП в основном определяется временем установления ЦАП и разностного усилителя, а не временем преобразования БИС АЦП. Поэтому указанными динамическими погрешностями в большинстве случаев уже действительно можно пренебречь.