Контроль динамических параметров ЦАП
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Новгородский государственный университет
им. Ярослава Мудрого
тАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФтАФ
Кафедра физики твёрдого тела и микроэлектроники
Контроль динамических параметров ЦАП
Реферат по дисциплине
тАЬИспытания изделий электронной техникитАЭ
Выполнил
Студент гр.4031
Избачков Ю.С.
Проверил
Доцент каф. ФТТиМ
Крутяков Л.Н.
Новгород
1999
Введение
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразоватеВнли АЦП находят .широкое применение в различВнных областях современной науки и техники. Они являютВнся неотъемлемой составной частью цифровых измериВнтельных приборов, систем преобразования и отображеВнния информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиолоВнкационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления, устройств ввода-вывода информации ЭВМ.
В данной работе рассматриваются основные методы контроля динамических параметров ЦАП.
Динамические свойства ЦАП характеризуются временем установления (преобразования), которое является наиВнболее сложно контролируемым и трудно поддающимся автоматизации параметром быстродействующих многоразрядных ЦАП.
Это объясняется необходимостью совВнмещения высокого быстродействия измерителя времени установления с его высокой разрешающей способностью по амплитуде (такой же, как и при контроле статичесВнких параметров) для обеспечения фиксации момента достижения выходным сигналом ЦАП номинального значения с погрешностью В±'/2 значения младшего разВнряда. Кроме того, ограниченная полоса пропускания изВнмерительного тракта и тепловые эффекты в сочетании с неизбежным присутствием шума могут вносить значительную неопределенность в измерение. Задачу можно существенно упростить, если установившееся значение выходного сигнала контролируемого преобразователя совместить с нулевым уровнем и анализировать переходВнный процесс вблизи нулевого потенциала. Это относится и к схемам, использующим в качестве индикатора осцилВнлограф. Рассмотрим несколько возможных вариантов схем устройств контроля времени установления ЦАП с осциллографическим индикатором, нашедших применеВнние в мелкосерийном и опытном производстве, в лабораВнторных исследованиях.
Рисунок 1 - Схема устройства контроля времени установВнления ЦАП с компенсацией установившегося значения его выходного сигнала
Одна из таких схем показана на рисунке 1. ПрямоВнугольный эталонный сигнал, синхронный с прямоугольВнным сигналом цифрового входа ЦАП, но не совпадаюВнщий по фазе с выходным сигналом ЦАП, суммируется с последним. Амплитуда эталонного прямоугольного сигВннала Uэ регулируется для точного совпадения с амплиВнтудой Uп.ш выхода ЦАП по окончании переходных проВнцессов. Это обеспечивает наблюдение переходного проВнцесса на экране осциллографа относительно нулевого уровня. Фиксирующие диоды ограничивают отклонение напряжения в период переходных процессов, что сущестВнвенно уменьшает время восстановления перегрузки осциллографа. При переключении цифрового входа младВншего разряда из положения ВлдинамическийВ» в положеВнние логической Вл1В» или логического Вл0В» на экране осцилВнлографа будут наблюдаться импульсы с частотой генераВнтора и амплитудой, равной значению младшего разряда ОФ ЦАП относительно нулевого уровня. При этом время установления определяется как время, необходимое для того, чтобы напряжение отклонения от нулевого уровня не превышало (В±'/2) ОФ. Если требуется измерить только время установления напряжения полной шкалы, то наВнпряжение эталонного прямоугольного сигнала Uэ на вход осциллографа не подается, что упрощает процесс измеВнрения с помощью устройства, приведенного на рисунке 1.
Рисунок 2 - Схема устройства контроля времени установления ЦАП при Влглавном переносеВ»
Как отмечалось, если ЦАП работает в режиме слежения (со сменой смежных кодовых комбинаций), то его время установления имеет большее значение, чем время установления полной шкалы. При этом наибольший переходной процесс наблюдается в случае Влглавного переносаВ», когда все разряды меняют свое состояние (цифровое число меняется от 0111 .. 1 до 1000 .. О или наоборот). Процесс же измерения времени установления при смене смежных кодовых комбинаций на цифровых входах ЦАП существенно упрощается, поскольку при этом установивВншиеся значения выходного сигнала ЦАП для смежных кодов отличаются на значение младшего разряда.
На рисунке 2 показана схема устройства контроля времени установления ЦАП при кодовой комбинации главного переноса. Все разряды ЦАП, кроме старшего, возбуждаются параллельно с помощью генератора Г прямоугольных импульсов. Этот же сигнал после инвертора Ин подается на старший разряд, вызывая его включение в момент выключения всех остальных разрядов. Выходной сигнал ЦАП при этом представляет собой прямоугольный сигнал с амплитудой ОФ относительно уровня, равного половине полной шкалы. Выход ЦАП связан со входом осциллографа только по переменному току, и постоянная составляющая выходного сигнала ЦАП на вход осциллографа не поступает. Переходный процесс в этом случае можно наблюдать при большой чувствительности осциллографа по амплитуде.
Время переходного процесса ЦАП большой разрядности можно определить с выВнсокой степенью точности, поскольку практически устраВнняются перегрузки входного усилителя осциллографа или компаратора, обусловленные большим перепадом сигнаВнла на выходе контролируемого ЦАП. Однако производиВнтельность осциллографических методов измерения невыВнсока. Кроме того, этим методам присущи погрешности субъективного характера, что не позволяет использовать их для серийного производства преобразователей.
Рисунок 3 - Схема устройства контроля времени установления ЦАП с токовым выходом на туннельном диоде
Рассмотрим возможные варианты построения полноВнстью автоматизированных измерителей времени установВнления ЦАП, обладающих значительно большим быстроВндействием и достоверностью контроля. На рисунке 3 приВнведена схема устройства контроля времени установления ЦАП с токовым выходом, где в качестве дискриминатора амплитуды выходного сигнала ЦАП применен туннельВнный диод. В устройстве используется стробоскопический метод измерения.
Формируемые с частотой генератора Г перепады (от нуля до установившегося уровня) выходного сигнала ЦАП попадают па дискриминатор уровня Д, который анализирует текущее (мгновенное) значение выходного сигнала преобразователя.
Анализ процесса начинают с участка заведомо усВнтановившегося переходВнного процесса, и аналиВнзируемую точку характеристики постепенно перемещают по временВнной оси к началу переходного процесса, т. е. справа налево (рисунок 4). Момент t1 преВнвышения допустимого значения отклонения от установившегося уровня тока Iуст фиксируют дискриминатором уровня. Затем измеряют временВнной отрезок от начала исследуемого переходного процесВнса до зафиксированного дискриминатором момента времени, который и определяет время установления Iycт выходного сигнала ЦАП.
Рисунок 4 тАУ Характер переходного процесса выходного сигнала ЦАП
Устройство работает таким образом. Выходные импульсы генератора Г поступают на вход схемы сдвига СС стробирующих импульсов и одновременно через мноВнгоканальный коммутатор тАФ на цифровые входы контроВнлируемого ЦАП, на которых он обеспечивает формирование требуемой комбинации сигналов. Исследуемый выходной сигнал ЦАП подается на первый вход схемы сравнения (дискриминатор Д), выполненной на туннельном диоде, на второй вход которой подаются стробирующие импульсы от генератора ГСИ, сдвигаемые по временной оси относительно исследуемого сигнала с помощью схемы СС. Уровень срабатывания схемы сравнения, работающей в режиме одновибратора, достигается в моВнменты прихода стробирующих импульсов вследствие суммирования на туннельном диоде тока контролируемого выходного сигнала ЦАП, стробирующего импульса и тока смещения, формируемого с помощью дополнительного ЦАП, управляемого выходным кодом устройства управления УУ.
Формируемый ток смещения соответствует установившемуся значению выходного сигнала контролируемого ЦАП. Каждую анализируемую точку переходВнного процесса стробируют п раз с частотой f 2 генератора Г. По мере приближения выходного тока контролируемого ЦАП к току смещения дополнительного ЦАП часВнтота срабатывания f1 дискриминатора Д на туннельном диоде возрастает. Отношение частот f1/f2 анализируют устройством управления УУ. Если оно находится в доВнпустимых пределах заданного значения, то стробирующий .импульс перемещают к началу переходного процесВнса и анализ следующих точек переходного процесса повторяют до момента, когда отношение частот f1/f2 преВнвысит заданное (последнее определяется допустимым отклонением выходного тока контролируемого ЦАП от установившегося значения, а также характером шумовой помехи на туннельном диоде и видом зависимости частоВнты срабатывания схемы сравнения от тока смещения). После этого перемещение стробирующего импульса прекращают и измеряют временной отрезок между фронтаВнми импульсов генератора и стробирующих импульсов ГСИ. Следует, однако, отметить, что вследствие большого уровня шумов, временной и температурной нестабильноВнсти параметров туннельного диода данная схема обеспечивает контроль ЦАП с разрядностью не более 8тАФ9.
На рисунках 5 и 6 изображены схема и временные диаграммы работы измерителя времени установления ЦАП, который обеспечивает исследование выходного сигнала ЦАП более высокой разрядности. Это достигаетВнся в основном смешением выходного сигнала по амплиВнтуде до совпадения его установившегося значения с нуВнлевым уровнем. Тем самым обеспечивается работа дисВнкриминатора уровня вблизи нулевого потенциала, что позволяет использовать дискриминаторы с высокой разВнрешающей способностью по амплитуде.
Устройство реаВнлизует также стробоскопический метод измерения. При определении tуст фактически решают две самостоятельВнные задачи:
1) выделение временного интервала, пропорциональВнного длительности измеряемого времени установления;
2) преобразование выделенного интервала в форму, удобную для обработки.
Рисунок 5 - Схема автоматического измерителя времени установлеВнния ЦАП
Рисунок 6 - Временные диаграммы рабоВнты автоматического измерителя времени установления ЦАП
Принцип выделения временного интервала аналогиВнчен рассмотренному. Установившееся значение переходВнного процесса контролируемого ЦАП совмещают с нулеВнвым уровнем с помощью суммирующего усилителя СУ, ключа К и интегратора И.
В качестве устройств сравнеВнния используются стробируемые компараторы напряжеВнния KH1 и KH2, которые совместно со схемой ИЛИ, счетВнчиками импульсов Сч1 и Сч2, триггером Т1, схемой запреВнта СЗ и формирователем порогового напряжения ФПН перемещают стробирующий импульс по временной оси к началу переходного процесса. Триггер Т2 и преобразоВнватель средних значений напряжения прямоугольных имВнпульсов ПСЗ обеспечивают преобразование выделенноВнго временного интервала tуст в пропорциональное напряВнжение постоянного тока.
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии генератор Г заторможен и на одном из его выходов имеется напряжение, соответствующее логической Вл1В» цифровых входов контролируемого ЦАП, а на другом тАФ логическому Вл0В». Многоканальный коммутатор позВнволяет сформировать произвольную комбинацию входного воздействия на цифровые входы, соответствующую любой точке характеристики контролируемого ЦАП, что обеспечивает контроль времени установления в любой точке характеристики ЦАП и при любых смежных кодовых комбинациях.
Так, например, если необходимо измерить время установления полной шкалы ЦАП, то его цифровые входы подключают к выходу генератора Г с напряжением, соответствующим логической Вл1В».
Если требуется определить время установления ЦАП при включении, например, всех разрядов, кроме старшего, цифровой вход последнего подключают на все время измерения к шине, формирующей напряжение логического Вл0В», входы остальных разрядов тАФ к выходу генератора с напряжением логической Вл1В».
В случае измерения времени установления при смене смежных кодовых комбинаций, например при смене коВнда 011..1 на 100..0, в исходном состоянии цифровой вход старшего разряда подключают к выходу генератора с наВнпряжением логического Вл0В», входы остальных разряВндов тАФ к выходу генератора с напряжением логической Вл1В». Следовательно, в исходном состоянии выходной сигВннал ЦАП соответствует его установившемуся значению в проверяемой точке характеристики.
Затем замыкают ключ К. При этом выходной сигнал ЦАП, поступая на вход интегратора И после его прохождения через суммиВнрующий усилитель СУ, изменяет значение выходного наВнпряжения СУ таким образом, что результирующий сигнал на выходе усилителя начинает уменьшаться.
По окончании переходного процесса установившееся значеВнние выходного сигнала ЦАП полностью компенсируется выходным сигналом интегратора и на выходе усилителя устанавливается напряжение, близкое к нулю и равное смещению нуля интегратора И. Затем ключ К размыкают и запускают генератор Г, обеспечивающий периодическую (с определенной частотой) смену кодовой комбинации на цифровых входах ЦАП. При этом происходит периодическое изменение с частотой генератора выходного сигнала ЦАП (рисунок 6 б). Поскольку в исходном состоянии установившееся значение выходного сигнала ЦАП было скомпенсировано выходным сигналом интегратора (и сигнал компенсации после размыкания ключа поддерживался интегратором постоянным), то переходный процесс выходного сигнала ЦАП (на выходе суммирующего усилителя) независимо от выбранной контролируВнемой точки и наклона характеристики ЦАП будет располагаться относительно нулевого уровня. Это позволяет при необходимости дополнительно усилить разностный сигнал вблизи установившегося значения и тем самым значительно повысить чувствительность и разрешающую способность устройства.
Выходной сигнал усилителя поВндается на входы компараторов напряжения КН1 и КН2, один из которых (с учетом коэффициента усиления СУ) имеет порог срабатывания, превышающий 0,5ОФ, а друВнгой тАУ (-1/2)ОФ. Частоту генератору Г выбирают таким образом, чтобы длительность его импульсов Т/2 (рисунок 6а), формирующих кодовую комбинацию на цифроВнвых входах ЦАП, превышала максимально возможное время установления.
Переходный процесс исследуют пуВнтем стробирования компараторов, начиная с момента времени ti, заведомо превышающего время установлеВнния, и перемещения стробирующего импульса по временВнной оси к началу переходного процесса, т. е. справа наВнлево до момента срабатывания одного из компараторов при отклонении контролируемого сигнала от установивВншегося значения более чем на (В± 1/2) ОФ.
Рассмотрим формирование и перемещение стробирующего импульса. Передний фронт импульса генератора Г, совпадающий с началом переходного процесса, осущеВнствляет запуск генератора пилообразного напряжения ГПН, возрастающий сигнал которого (рисунок 6б) поступает на один из входов дискриминатора уровней Д. В момент превышения пилообразным сигналом значения, поступающего на дискриминатор Д с формироватеВнля порогового напряжения ФПН, дискриминатор срабаВнтывает и с помощью ГСИ формирует стробирующий имВнпульс.
Крутизну выходного сигнала ГПН и значение наВнчального напряжения ФПН выбирают таким образом, чтобы первый стробирующий импульс был расположен на участке заведомо установившегося переходного процесса. Поэтому амплитуда напряжения исследуемого сигВннала, поступающего на компараторы КН1 и КН2 в момент стробирующего импульса, находится в зоне (В±1/2)ОФ и компараторы не срабатывают. При этом счетчик импульсов Cч1 обнулен, а триггер T1 находится в исходном состоянии и обеспечивает прохождение импульсов с выхода счетчика Сч2 через схему запрета СЗ на формирователь порогового напряжения ФПН. Стробирующие импульсы с частотой повторения переходного процесса (с частотой генератора Г) заполняют предварительно обнуленный счетчик Сч2. При поступлении n-го импульса происходит переполнение этого счетчика. Импульс переполнения через схему запрета СЗ поступает на ФПН, уменьшая пороговое напряжение дискриминатора на ОФU. При крутизне 5 выходного напряжения ГПН это вызывает перемещение момента срабатывания дискриминатора (tд1, tд2 и т. д.), а следовательно, и момента формироваВнния стробирующего импульса к началу переходного проВнцесса на величину:
Оґt = tд1 тАУ tд2 = ОФU/S (1)
После обнуления счетчика Сч2 исследуют характеристику в новой точке переходного процесса. Если и в этой точке переходный процесс находится в зоне допуска, то по окончании п повторений переходных процессов вновь происходит переполнение счетчика Сч2 и перемещение стробирующего импульса по временной оси на Оґt к началу переходного процесса. Перемещение будет происхоВндить до тех пор, пока переходный процесс не приблизится к границе зоны допуска (положительному или отрицаВнтельному значению). При этом в зависимости от полярности отклонения исследуемого сигнала от установившегося значения начинает срабатывать один из компаратоВнров KH1или КН2, выходные импульсы которых поступают на счетчик Сч1.
Если срабатывание компараторов неустойчивое, нерегулярное и за n повторений переходВнных процессов число срабатываний не превышает n/2 (что возможно при воздействии на компараторы KH1, КН2 различных помех, накладываемых на исследуемый сигнал и особенно ощутимых с приближением переходВнного процесса к допустимым значениям), то переполнения счетчика Сч1 не происходит и импульс переполнения счетчика Сч2 по окончании п повторений переходного проВнцесса обнуляет счетчик Сч1 и вновь перемещает стробирующий импульс на Оґt, обеспечивая устойчивое срабатывание одного из компараторов. Это является признаком достижения переходным процессом границы зоны допустимых значений установившегося выходного напряжения ЦАП. В этом случае число срабатываний компараВнторов KH1 или KH2 до окончания очередного цикла из n повторений переходного процесса превышает n/2, что приводит к переполнению счетчика Cч1, выходной импульс которого воздействует на триггер Т1, запрещая с помощью СЗ прохождение импульса переполнения счетчика Сч2 на ФПН. По окончании цикла импульс переполнения счетчика Сч2, обнуляя счетчик Сч1, не проходит на ФПН, что сохраняет неизменным уровень срабатывания дискриминатора Д, а значит, и расположение стробирующего импульса на временной оси. Перед началом очередного цикла сканирования переходного процесса устройством управления УУ происходит обнуление счётчика Сч2 и нормализация триггера Т1. При периодическом повторении циклов сканирования устойчивое срабатывание компараторов KH1 или КН2 обеспечивает неизменное положение стробирующего импульса на временной оси, момент появления которого и является моментом окончания переходного процесса исследуемого сигнала.
Поскольку моменты запуска и нормализации триггера Т2 определяются соответственно фронтом импульсов генератора Г, совпадающим с началом переходного процесса, и стробирующим импульсом, периодическое появление которого совпадает с моментом достижения переходным процессом установившегося значения, то длительность повторяющихся с частотой генератора выходных импульсов триггера Т2 в конце измерительного цикла равна длиВнтельности переходного процесса исследуемого сигнала (рисунок 6е). Длительность выходных импульсов триггера Т2 с помощью преобразователя средних значений ПСЗ преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного тока, фиксируемое, по окончании измерительного процесса отсчетно-регистрирующим устройством ОРУ. Поскольку частота генератора фиксирована, При постоянстве амплитуды Umax импульсов триггера Т2 в качестве ПСЗ можно использовать преобразователь средВннего значения импульсного сигнала в пропорциональное напряжение постоянного тока Ucp. В этом случае его выВнходное напряжение Uвых однозначно определяет длительВнность преобразуемых импульсов, а следовательно, длиВнтельность переходного процесса tycт, т. е.:
(2)
Время измерения tизм определяется выбранным чисВнлом п измерений в каждой точке переходного процесса и дискретным значением Оґt:
(3)
Как следует из рассмотренной схемы, результируюВнщая погрешность измерения времени установления tуст определяется в основном разрешающей способностью ОФUк стробируемых компараторов и ограниченностью полосы пропускания измерителя, приводящей к искажению переходного процесса. Относительная погрешность Оі обусловленная величиной ОФUк, зависит в свою очередь от крутизны S исследуемого сигнала U(t) в точке переВнсечения с границей зоны допустимых значений:
(4)
Это соотношение показывает, что погрешность Оі, обуВнсловленная разрешающей способностью компараторов, в значительной мере зависит от характера переходного процесса и возрастает с уменьшением производной исслеВндуемого сигнала в момент окончания переходного проВнцесса.
Влияние полосы пропускания схемы измерения проявляется в ослаблении высокочастотных составляющих выходного сигнала ЦАП, что приводит к изменению длиВнтельности временного интервала, соответствующего длительности переходного процесса, а следовательно, к появлению ошибки преобразования. При нахождении полосы пропускания измерителя необходимо учитывать максимально возможный спектр частот F анализируемого сигнала:
F = (1 Г· 2)/т (5)
где т тАФ длительность видеоимпульса.
Для неискаженной передачи этих сигналов полоса частот измерителя должна в 3тАФ5 раз превышать знаВнчение F.
Рассмотренные погрешности определяют в основном результирующую погрешность измерения, поскольку поВнгрешность измерения временного интервала, соответствующего времени установления, может быть простыми схемотехническими средствами сведена к преВннебрежимо малой величине.
Список литературы
1. Измерения и контроль в микроэлектронике: Учебное пособие по специальностям электронной техники / Дубовой Н.Д., Осокин В.И., Очков А.С. и др.; Под ред. А.А.Сазонова. - М.: Высшая школа, 1984. - 367с.
2 Глудкин О.П., Черняева В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. тАУ М.: Энергия, 1980.
3 Микроэлектроника: Учеб. пособие для втузов. В 9 кн. / Под ред. Л.А.Коледова. Кн. 5. И.Я.Козырь. Качество и надёжность интегральных микросхем. тАУ М.: Высшая школа, 1987. тАУ 144 с.
4 Измерение параметров цифровых интегральных микросхем / Д.Ю.Эйдукас, Б.В.Орлов, Л.М.Попель и др.; Под ред. Д.Ю.Эйдукаса, Б.В.Орлова. тАУ М.: Радио и связь, 1982.
5 Докучаев Н.И., Козырь И.Я. Онопко Д.И. Испытания и измерения интегральных микросхем. тАУ М.: Изд. МИЭТ, 1978.
6 Докучаев Н.И., Коледов Л.А. Элементы надёжности и измерение параметров интегральных микросхем. тАУ М.: Изд. МИЭТ, 1979.
Вместе с этим смотрят:
КПД трансформатора. Устройство и работаЛавинно-пролетный диодЛазерЛазерная безопасность