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 приборов, систем преобразования и отображе­ния информации, программируемых источников питания, индикаторов на электронно-лучевых трубках, радиоло­кационных 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 наи­более сложно контролируемым и трудно поддающимся автоматизации параметром быстродействующих многоразрядных 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 номинального значения с погрешностью ±'/2 значения младшего раз­ряда. Кроме того, ограниченная полоса пропускания из­мерительного 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 переход­ный процесс вблизи нулевого потенциала. Это относится и к схемам, использующим в качестве индикатора осцил­лограф. Рассмотрим несколько возможных вариантов схем устройств контроля времени установления ЦАП с осциллографическим индикатором, нашедших примене­ние в мелкосерийном и опытном производстве, 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 про­цессов. Это обеспечивает наблюдение переходного про­цесса на экране осциллографа 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 положе­ние логической «1» или логического «0» на экране осцил­лографа будут наблюдаться импульсы с частотой генера­тора и амплитудой, равной значению младшего разряда Δ ЦАП относительно нулевого уровня. При этом время установления определяется как время, необходимое для того, чтобы напряжение отклонения от нулевого уровня не превышало (±'/2) Δ. Если требуется измерить только время установления напряжения полной шкалы, то на­пряжение эталонного прямоугольного сигнала Uэ на вход осциллографа не подается, что упрощает 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 значение, чем время установления полной шкалы. При этом наибольший переходной процесс наблюдается в случае «главного переноса», 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 установив­шиеся 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 Δ 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 вы­сокой степенью точности, поскольку практически устра­няются перегрузки входного усилителя осциллографа или компаратора, обусловленные большим перепадом сигна­ла на выходе контролируемого ЦАП. Однако производи­тельность осциллографических методов измерения невы­сока. 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 полно­стью автоматизированных измерителей времени установ­ления ЦАП, обладающих значительно большим быстро­действием и достоверностью контроля. На рисунке 3 при­ведена схема устройства контроля времени установления ЦАП с токовым выходом, где в качестве дискриминатора амплитуды выходного сигнала ЦАП применен туннель­ный 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 ус­тановившегося переход­ного процесса, и анали­зируемую точку характеристики постепенно перемещают по времен­ной оси к началу переходного процесса, т. е. справа налево (рисунок 4). Момент t1
пре­вышения допустимого значения отклонения от установившегося уровня тока Iуст фиксируют дискриминатором уровня. Затем измеряют времен­ной отрезок от начала исследуемого переходного процес­са до зафиксированного 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 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 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 переход­ного процесса стробируют п раз с частотой f
2
генератора Г. По мере приближения выходного тока контролируемого ЦАП к току смещения дополнительного ЦАП час­тота срабатывания f
1
дискриминатора Д на туннельном диоде возрастает. Отношение частот f
1
/f
2
анализируют устройством управления УУ. Если оно находится в до­пустимых пределах заданного значения, то стробирующий .импульс перемещают к началу переходного процес­са и анализ следующих точек переходного процесса повторяют до момента, когда отношение частот f
1
/f
2
пре­высит заданное (последнее определяется допустимым отклонением 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 перемещение стробирующего импульса прекращают и измеряют временной отрезок между фронта­ми импульсов генератора и стробирующих импульсов ГСИ. Следует, 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 измерителя времени установления ЦАП, который обеспечивает исследование выходного сигнала ЦАП более высокой разрядности. Это достигает­ся в основном смешением выходного сигнала по ампли­туде до совпадения его установившегося значения с ну­левым уровнем. Тем самым обеспечивается работа дис­криминатора 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 обработки.

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 совмещают с нуле­вым уровнем с помощью суммирующего усилителя СУ, ключа К и интегратора И.

В качестве устройств сравне­ния используются стробируемые компараторы напряже­ния KH1 и KH2, которые совместно со схемой ИЛИ, счет­чиками импульсов Сч1 и Сч2, триггером Т1
, схемой запре­та СЗ и формирователем порогового напряжения ФПН перемещают стробирующий импульс по временной оси к началу переходно

го процесса. Триггер Т2
и преобразо­ватель средних значений напряжения прямоугольных им­пульсов ПСЗ обеспечивают преобразование 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 — логическому «0». Многоканальный коммутатор поз­воляет 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 «1».

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 «0», входы остальных разрядов — к выходу генератора с напряжением логической «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 на­пряжением логического «0», входы остальных разря­дов — к выходу генератора с напряжением логической «1». Следовательно, в исходном состоянии выходной 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 результирующий сигнал на выходе усилителя начинает уменьшаться.

По окончании переходного процесса установившееся значе­ние 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 контролиру­емой 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 по­дается на входы компараторов напряжения КН1 и КН2, один из которых (с учетом коэффициента усиления СУ) имеет порог срабатывания, превышающий 0,5Δ, а дру­гой – (-1/2)Δ. Частоту генератору Г выбирают таким образом, чтобы длительность его импульсов Т/2 (рисунок 6а), формирующих кодовую комбинацию на цифро­вых входах ЦАП, превышала максимально возможное время установления.

Переходный процесс исследуют пу­тем стробирования компараторов, начиная с момента времени ti
, заведомо превышающего время установле­ния, и перемещения стробирующего импульса по времен­ной оси к началу переходного процесса, т. е. справа на­лево до момента срабатывания одного из компараторов при отклонении контролируемого сигнала от установив­шегося значения более чем на (± 1/2) Δ.

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 дискриминатора уровней Д. В момент превышения пилообразным сигналом значения, поступающего на дискриминатор Д с формировате­ля порогового напряжения ФПН, дискриминатор сраба­тывает и с помощью ГСИ формирует стробирующий 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. Поэтому амплитуда напряжения исследуемого сиг­нала, поступающего на компараторы КН1 и КН2 в момент стробирующего импульса, находится в зоне (±1/2)Δ 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 ΔU. При крутизне 5 выходного напряжения ГПН это вызывает перемещение момента срабатывания дискриминатора (tд1
, tд2
и т. д.), а следовательно, и момента формирова­ния стробирующего импульса к началу переходного про­цесса на величину:

δt = tд1
– tд2
= ΔU/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 δt 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 зависимости от полярности отклонения исследуемого сигнала от установившегося значения начинает срабатывать один из компарато­ров KH1или КН2, выходные импульсы которых поступают на счетчик Сч1.

Если срабатывание компараторов неустойчивое, нерегулярное и за n повторений переход­ных 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 переход­ного процесса к допустимым значениям), то переполнения счетчика Сч1 не происходит и импульс переполнения счетчика Сч2 по окончании п повторений переходного про­цесса обнуляет счетчик Сч1 и вновь перемещает стробирующий импульс на δt, 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 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 дли­тельности 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 сред­него значения импульсного сигнала в пропорциональное напряжение постоянного тока Ucp
. В этом случае его вы­ходное 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 каждой точке переходного процесса и дискретным значением δt:

(3)

Как следует из рассмотренной схемы, результирую­щая погрешность измерения времени установления tуст
определяется в основном разрешающей способностью ΔUк стробируемых компараторов и ограниченностью полосы пропускания измерителя, приводящей к искажению переходного процесса. Относительная погрешность γ обусловленная величиной ΔUк, зависит в свою очередь от крутизны S исследуемого сигнала U(t) в точке пере­сечения с границей зоны допустимых значений:

(4)

Это соотношение показывает, что погрешность γ, обу­словленная разрешающей способностью компараторов, в значительной мере зависит от характера переходного процесса и возрастает с уменьшением производной иссле­дуемого сигнала в момент окончания переходного про­цесса.

Влияние полосы пропускания схемы измерения проявляется в ослаблении высокочастотных составляющих выходного сигнала ЦАП, что приводит к изменению дли­тельности 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 ÷ 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 интервала, соответствующего времени установления, может быть простыми схемотехническими средствами сведена к пре­небрежимо 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. – 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. – 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 интегральных микросхем. – М.: Изд. МИЭТ, 1978.

6 Докучаев Н.И., Коледов Л.А. Элементы надёжности и измерение параметров интегральных микросхем. – М.: Изд. МИЭТ, 1979.