|
Контроль динамических параметров ЦАП
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Новгородский государственный университет
им. Ярослава Мудрого
——————————————————————————————
Кафедра физики твёрдого тела и микроэлектроники
Контроль динамических параметров ЦАП
Реферат по дисциплине
"Испытания изделий электронной техники"
Выполнил
Студент гр.4031
Избачков Ю.С.
Проверил
Доцент каф. ФТТиМ
Крутяков Л.Н.
Новгород
1999
Введение
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи АЦП находят
.широкое применение в различных областях современной науки и техники.
Они являются неотъемлемой составной частью цифровых измерительных при-
боров, систем преобразования и отображения информации, программируемых
источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиоло-
кационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, а также
важными компонентами различных автоматических систем контроля и управ-
ления, устройств ввода-вывода информации ЭВМ.
В данной работе рассматриваются основные методы контроля динамиче-
ских параметров ЦАП.
Динамические свойства ЦАП характеризуются временем установления
(преобразования), которое является наиболее сложно контролируемым и труд-
но поддающимся автоматизации параметром быстродействующих многораз-
рядных ЦАП.
Это объясняется необходимостью совмещения высокого быстродействия
измерителя времени установления с его высокой разрешающей способностью
по амплитуде (такой же, как и при контроле статических параметров) для
обеспечения фиксации момента достижения выходным сигналом ЦАП номи-
нального значения с погрешностью ±'/2 значения младшего разряда. Кроме то-
го, ограниченная полоса пропускания измерительного тракта и тепловые эф-
фекты в сочетании с неизбежным присутствием шума могут вносить значи-
тельную неопределенность в измерение. Задачу можно существенно упростить,
если установившееся значение выходного сигнала контролируемого преобра-
зователя совместить с нулевым уровнем и анализировать переходный процесс
вблизи нулевого потенциала. Это относится и к схемам, использующим в каче-
стве индикатора осциллограф. Рассмотрим несколько возможных вариантов
схем устройств контроля времени установления ЦАП с осциллографическим
индикатором, нашедших применение в мелкосерийном и опытном производст-
ве, в лабораторных исследованиях.
Рисунок 1 - Схема устройства контроля времени установления ЦАП с
компенсацией установившегося значения его выходного сигнала
Одна из таких схем показана на рисунке 1. Прямоугольный эталонный
сигнал, синхронный с прямоугольным сигналом цифрового входа ЦАП, но не
совпадающий по фазе с выходным сигналом ЦАП, суммируется с последним.
Амплитуда эталонного прямоугольного сигнала Uэ регулируется для точного
совпадения с амплитудой Uп.ш выхода ЦАП по окончании переходных про-
цессов. Это обеспечивает наблюдение переходного процесса на экране осцил-
лографа относительно нулевого уровня. Фиксирующие диоды ограничивают
отклонение напряжения в период переходных процессов, что существенно
уменьшает время восстановления перегрузки осциллографа. При переключении
цифрового входа младшего разряда из положения «динамический» в положе-
ние логической «1» или логического «0» на экране осциллографа будут наблю-
даться импульсы с частотой генератора и амплитудой, равной значению млад-
шего разряда ? ЦАП относительно нулевого уровня. При этом время установ-
ления определяется как время, необходимое для того, чтобы напряжение от-
клонения от нулевого уровня не превышало (±'/2) ?. Если требуется измерить
только время установления напряжения полной шкалы, то напряжение эталон-
ного прямоугольного сигнала Uэ на вход осциллографа не подается, что упро-
щает процесс измерения с помощью устройства, приведенного на рисунке 1.
Рисунок 2 - Схема устройства контроля времени установления ЦАП при
«главном переносе»
Как отмечалось, если ЦАП работает в режиме слежения (со сменой
смежных кодовых комбинаций), то его время установления имеет большее зна-
чение, чем время установления полной шкалы. При этом наибольший переход-
ной процесс наблюдается в случае «главного переноса», когда все разряды ме-
няют 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, по-
скольку при этом установившиеся значения выходного сигнала ЦАП для смеж-
ных 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. Вы-
ходной сигнал ЦАП при этом представляет собой прямоугольный сигнал с ам-
плитудой ? относительно уровня, равного половине полной шкалы. Выход
ЦАП связан со входом осциллографа только по переменному току, и постоян-
ная составляющая выходного сигнала ЦАП на вход осциллографа не поступает.
Переходный процесс в этом случае можно наблюдать при большой чувстви-
тельности осциллографа по амплитуде.
Время переходного процесса ЦАП большой разрядности можно опреде-
лить с высокой степенью точности, поскольку практически устраняются пере-
грузки входного усилителя осциллографа или компаратора, обусловленные
большим перепадом сигнала на выходе контролируемого ЦАП. Однако произ-
водительность осциллографических методов измерения невысока. Кроме того,
этим методам присущи погрешности субъективного характера, что не позволя-
ет использовать их для серийного производства преобразователей.
Рисунок 3 - Схема устройства контроля времени установления ЦАП с то-
ковым выходом на туннельном диоде
Рассмотрим возможные варианты построения полностью автоматизиро-
ванных измерителей времени установления ЦАП, обладающих значительно
большим быстродействием и достоверностью контроля. На рисунке 3 при-
ведена схема устройства контроля времени установления ЦАП с токовым вы-
ходом, где в качестве дискриминатора амплитуды выходного сигнала ЦАП
применен туннельный диод. В устройстве используется стробоскопический ме-
тод измерения.
Формируемые с частотой генератора Г перепады (от нуля до установив-
шегося уровня) выходного сигнала ЦАП попадают па дискриминатор уровня Д,
который анализирует текущее (мгновенное) значение выходного сигнала пре-
образователя.
Анализ процесса начинают с участка заведомо установившегося переход-
ного процесса, и анализируемую точку характеристики постепенно перемеща-
ют по временной оси к началу переходного процесса, т. е. справа налево (рису-
нок 4). Момент t1 превышения допустимого значения отклонения от устано-
вившегося уровня тока Iуст фиксируют дискриминатором уровня. Затем изме-
ряют временной отрезок от начала исследуемого переходного процесса до за-
фиксированного дискриминатором момента времени, который и определяет
время установления Iycт выходного сигнала ЦАП.
Рисунок 4 – 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 многоканальный коммутатор — на цифровые входы контролируемого
ЦАП, на которых он обеспечивает формирование требуемой комбинации сиг-
налов. 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, сдвигае-
мые по временной оси относительно исследуемого сигнала с помощью схемы
СС. Уровень срабатывания схемы сравнения, работающей в режиме одновиб-
ратора, достигается в моменты 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 пе-
реходного процесса стробируют п раз с частотой f 2 генератора Г. По мере при-
ближения выходного тока контролируемого ЦАП к току смещения дополни-
тельного ЦАП частота срабатывания f1 дискриминатора Д на туннельном диоде
возрастает. Отношение частот f1/f2 анализируют устройством управления УУ.
Если оно находится в допустимых пределах заданного значения, то строби-
рующий .импульс перемещают к началу переходного процесса и анализ сле-
дующих точек переходного процесса повторяют до момента, когда отношение
частот f1/f2 превысит заданное (последнее определяется допустимым отклоне-
нием выходного тока контролируемого ЦАП от установившегося значения, а
также характером шумовой помехи на туннельном диоде и видом зависимости
частоты срабатывания схемы сравнения от тока смещения). После этого пере-
мещение стробирующего импульса прекращают и измеряют временной отрезок
между фронтами импульсов генератора и стробирующих импульсов ГСИ. Сле-
дует, однако, отметить, что вследствие большого уровня шумов, временной и
температурной нестабильности параметров туннельного диода данная схема
обеспечивает контроль ЦАП с разрядностью не более 8—9.
На рисунках 5 и 6 изображены схема и временные диаграммы работы из-
мерителя времени установления ЦАП, который обеспечивает исследование вы-
ходного сигнала ЦАП более высокой разрядности. Это достигается в основном
смешением выходного сигнала по амплитуде до совпадения его установивше-
гося значения с нулевым уровнем. Тем самым обеспечивается работа дис-
криминатора уровня вблизи нулевого потенциала, что позволяет использовать
дискриминаторы с высокой разрешающей способностью по амплитуде.
Устройство реализует также стробоскопический метод измерения. При
определении tуст фактически решают две самостоятельные задачи:
1) выделение временного интервала, пропорционального длительности
измеряемого времени установления;
2) преобразование выделенного интервала в форму, удобную для обра-
ботки.
Рисунок 5 - Схема автоматического измерителя времени установления
ЦАП
Рисунок 6 - Временные диаграммы работы автоматического измерителя
времени установления ЦАП
Принцип выделения временного интервала аналогичен рассмотренному.
Установившееся значение переходного процесса контролируемого ЦАП со-
вмещают с нулевым уровнем с помощью суммирующего усилителя СУ, ключа
К и интегратора И.
В качестве устройств сравнения используются стробируемые компарато-
ры напряжения KH1 и KH2, которые совместно со схемой ИЛИ, счетчиками
импульсов Сч1 и Сч2, триггером Т1, схемой запрета СЗ и формирователем по-
рогового напряжения ФПН перемещают стробирующий импульс по временной
оси к началу переходного процесса. Триггер Т2 и преобразователь средних зна-
чений напряжения прямоугольных импульсов ПСЗ обеспечивают преобразова-
ние выделенного временного интервала tуст в пропорциональное напряжение
постоянного тока.
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии генератор Г
заторможен и на одном из его выходов имеется напряжение, соответствующее
логической «1» цифровых входов контролируемого ЦАП, а на другом — логи-
ческому «0». Многоканальный коммутатор позволяет сформировать произ-
вольную комбинацию входного воздействия на цифровые входы, соответст-
вующую любой точке характеристики контролируемого ЦАП, что обеспечива-
ет 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 на-
пряжением, соответствующим логической «1».
Если требуется определить время установления ЦАП при включении, на-
пример, всех разрядов, кроме старшего, цифровой вход последнего подключа-
ют на все время измерения к шине, формирующей напряжение логического
«0», входы остальных разрядов — к выходу генератора с напряжением логиче-
ской «1».
В случае измерения времени установления при смене смежных кодовых
комбинаций, например при смене кода 011...1 на 100...0, в исходном состоянии
цифровой вход старшего разряда подключают к выходу генератора с на-
пряжением логического «0», входы остальных разрядов — к выходу генератора
с напряжением логической «1». Следовательно, в исходном состоянии выход-
ной сигнал 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 суммирующий усилитель СУ,
изменяет значение выходного напряжения СУ таким образом, что результи-
рующий сигнал на выходе усилителя начинает уменьшаться.
По окончании переходного процесса установившееся значение выходно-
го 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 генера-
тор Г, обеспечивающий периодическую (с определенной частотой) смену кодо-
вой комбинации на цифровых входах ЦАП. При этом происходит периодиче-
ское 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 ком-
пенсации после размыкания ключа поддерживался интегратором постоянным),
то переходный процесс выходного сигнала ЦАП (на выходе суммирующего
усилителя) независимо от выбранной контролируемой точки и наклона харак-
теристики ЦАП будет располагаться относительно нулевого уровня. Это позво-
ляет при необходимости дополнительно усилить разностный сигнал вблизи ус-
тановившегося значения и тем самым значительно повысить чувствительность
и разрешающую способность устройства.
Выходной сигнал усилителя подается на входы компараторов напряже-
ния КН1 и КН2, один из которых (с учетом коэффициента усиления СУ) имеет
порог срабатывания, превышающий 0,5?, а другой – (-1/2)?. Частоту генерато-
ру Г выбирают таким образом, чтобы длительность его импульсов Т/2 (рисунок
6а), формирующих кодовую комбинацию на цифровых входах ЦАП, превыша-
ла максимально возможное время установления.
Переходный процесс исследуют путем стробирования компараторов, на-
чиная с момента времени ti, заведомо превышающего время установления, и
перемещения стробирующего импульса по временной оси к началу переходно-
го процесса, т. е. справа налево до момента срабатывания одного из компарато-
ров при отклонении контролируемого сигнала от установившегося значения
более чем на (± 1/2) ?.
Рассмотрим формирование и перемещение стробирующего импульса.
Передний фронт импульса генератора Г, совпадающий с началом переходного
процесса, осуществляет запуск генератора пилообразного напряжения ГПН,
возрастающий сигнал которого (рисунок 6б) поступает на один из входов дис-
криминатора уровней Д. В момент превышения пилообразным сигналом значе-
ния, поступающего на дискриминатор Д с формирователя порогового напряже-
ния ФПН, дискриминатор срабатывает и с помощью ГСИ формирует строби-
рующий импульс.
Крутизну выходного сигнала ГПН и значение начального напряжения
ФПН выбирают таким образом, чтобы первый стробирующий импульс был
расположен на участке заведомо установившегося переходного процесса. По-
этому амплитуда напряжения исследуемого сигнала, поступающего на компа-
раторы КН1 и КН2 в момент стробирующего импульса, находится в зоне
(±1/2)? и компараторы не срабатывают. При этом счетчик импульсов Cч1 об-
нулен, а триггер T1 находится в исходном состоянии и обеспечивает прохожде-
ние импульсов с выхода счетчика Сч2 через схему запрета СЗ на формирова-
тель порогового напряжения ФПН. Стробирующие импульсы с частотой по-
вторения переходного процесса (с частотой генератора Г) заполняют предвари-
тельно 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 ?U.
При крутизне 5 выходного напряжения ГПН это вызывает перемещение мо-
мента срабатывания дискриминатора (tд1, tд2 и т. д.), а следовательно, и момента
формирования стробирующего импульса к началу переходного процесса на ве-
личину:
?t = tд1 – tд2 = ?U/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 про-
исходит переполнение счетчика Сч2 и перемещение стробирующего импульса
по временной оси на ?t к началу переходного процесса. Перемещение будет
происходить до тех пор, пока переходный процесс не приблизится к границе
зоны допуска (положительному или отрицательному значению). При этом в за-
висимости от полярности отклонения исследуемого сигнала от установившего-
ся значения начинает срабатывать один из компараторов KH1или КН2, выход-
ные импульсы которых поступают на счетчик Сч1.
Если срабатывание компараторов неустойчивое, нерегулярное и за n по-
вторений переходных процессов число срабатываний не превышает n/2 (что
возможно при воздействии на компараторы KH1, КН2 различных помех, на-
кладываемых на исследуемый сигнал и особенно ощутимых с приближением
переходного процесса к допустимым значениям), то переполнения счетчика
Сч1 не происходит и импульс переполнения счетчика Сч2 по окончании п по-
вторений переходного процесса обнуляет счетчик Сч1 и вновь перемещает
стробирующий импульс на ?t, 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 компараторов KH1 или KH2 до окон-
чания очередного цикла из n повторений переходного процесса превышает n/2,
что приводит к переполнению счетчика Cч1, выходной импульс которого воз-
действует на триггер Т1, запрещая с помощью СЗ прохождение импульса пере-
полнения счетчика Сч2 на ФПН. По окончании цикла импульс переполнения
счетчика Сч2, обнуляя счетчик Сч1, не проходит на ФПН, что сохраняет неиз-
менным 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 по-
вторении 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 пе-
реходного процесса, и стробирующим импульсом, периодическое появление
которого совпадает с моментом достижения переходным процессом устано-
вившегося значения, то длительность повторяющихся с частотой генератора
выходных импульсов триггера Т2 в конце измерительного цикла равна дли-
тельности переходного процесса исследуемого сигнала (рисунок 6е). Длитель-
ность выходных импульсов триггера Т2 с помощью преобразователя средних
значений ПСЗ преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного то-
ка, фиксируемое, по окончании измерительного процесса отсчетно-
регистрирующим устройством ОРУ. Поскольку частота генератора фиксирова-
на, При постоянстве амплитуды Umax импульсов триггера Т2 в качестве ПСЗ
можно использовать преобразователь среднего значения импульсного сигнала в
пропорциональное напряжение постоянного тока Ucp. В этом случае его вы-
ходное напряжение Uвых однозначно определяет длительность преобразуемых
импульсов, а следовательно, длительность переходного процесса tycт, т. е.:
(2)
Время измерения tизм определяется выбранным числом п измерений в ка-
ждой точке переходного процесса и дискретным значением ?t:
(3)
Как следует из рассмотренной схемы, результирующая погрешность из-
мерения времени установления tуст определяется в основном разрешающей спо-
собностью ?Uк стробируемых компараторов и ограниченностью полосы про-
пускания измерителя, приводящей к искажению переходного процесса. Отно-
сительная погрешность ? обусловленная величиной ?Uк, зависит в свою оче-
редь от крутизны S исследуемого сигнала U(t) в точке пересечения с границей
зоны допустимых значений:
(4)
Это соотношение показывает, что погрешность ?, обусловленная разре-
шающей способностью компараторов, в значительной мере зависит от характе-
ра переходного процесса и возрастает с уменьшением производной иссле-
дуемого сигнала в момент окончания переходного процесса.
Влияние полосы пропускания схемы измерения проявляется в ослабле-
нии высокочастотных составляющих выходного сигнала ЦАП, что приводит к
изменению длительности временного интервала, соответствующего длительно-
сти переходного процесса, а следовательно, к появлению ошибки преобразова-
ния. При нахождении полосы пропускания измерителя необходимо учитывать
максимально возможный спектр частот F анализируемого сигнала:
F = (1 ? 2)/т (5)
где т — длительность видеоимпульса.
Для неискаженной передачи этих сигналов полоса частот измерителя
должна в 3—5 раз превышать значение F.
Рассмотренные погрешности определяют в основном результирующую
погрешность измерения, поскольку погрешность измерения временного интер-
вала, соответствующего времени установления, может быть простыми схемо-
техническими средствами сведена к пренебрежимо малой величине.
Список литературы
1. Измерения и контроль в микроэлектронике: Учебное пособие по спе-
циальностям 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. – 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 микро-
схем. – М.: Высшая школа, 1987. – 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. – М.: Радио и связь, 1982.
5 Докучаев Н.И., Козырь И.Я. Онопко Д.И. Испытания и измерения инте-
гральных микросхем. – М.: Изд. МИЭТ, 1978.
6 Докучаев Н.И., Коледов Л.А. Элементы надёжности и измерение пара-
метров интегральных микросхем. – М.: Изд. МИЭТ, 1979.
1
8
| |
