Методи та засоби підвищення точності циклічних АЦП на основі вагової надлишковості

Краткое описание

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Вінницький національний технічний університет

На правах рукопису

БОЙКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 681.3

Методи та засоби підвищення точності циклічних АЦП на основі вагової надлишковості

Спеціальність 05.13.05 – комп’ютерні системи та компоненти

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник

Захарченко Сергій Михайович

кандидат технічних наук, доцент

Вінниця – 2012

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК Умовних ПОЗНАЧЕНЬ……………………………………………..	4
ВСТУП……………………………………………………………............................	5
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СУЧАСНИХ ШЛЯХІВ ПОКРАЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ЦИКЛІЧНИХ АЦП…………………………………………………………………	15
1.1 Місце циклічних АЦП серед сучасних перетворювачів форми інформації……………………………………………………………………...	15
1.2 Аналіз структурних методів компенсації похибок циклічних АЦП…..	19
1.2.1 Циклічний АЦП зі зниженою чутливістю до відхилень конденсаторів…………………………………………………………….	19
1.2.2 Алгоритмічний помножуючий АЦП……………………………..	24
1.2.3 АЦП із динамічною зміною конфігурації………………………..	25
1.2.4 Циклічний АЦП із архітектурою 1.5 біта/цикл………………….	28
1.2.5 Циклічний АЦП із розщіпленою архітектурою…………………	31
1.3 Аналіз характеристик циклічних АЦП, що серійно випускаються......	35
1.4 Аналіз методів коригування похибок АЦП шляхом використання вагової надлишковості…………………………………………………….....	38
1.5 Визначення напрямку і формулювання задач досліджень…………...	44
РОЗДІЛ 2 Розробка та дослідження математичної моделі статичних похибок циклічного АЦП………………………………..	46
2.1 Дослідження структури циклічного АЦП з ваговою надлишковістю.................................................................................................	46
2.2 Аналіз статичних похибок циклічного АЦП з базовою структурою...	52
2.3 Аналіз статичних похибок циклічного АЦП на комутованих конденсаторах………………………………………………………………..	60
2.4 Аналіз впливу статичних похибок на роботу циклічного АЦП............	67
2.5 Висновки………………………………………………………………….	73
РОЗДІЛ 3 РОЗРОБКА МетодІВ підвищення точності циклічних АЦП За рахунок використання вагової надлишковості……	75
3.1 Аналіз характеристики вхід-вихід циклічних АЦП із ваговою надлишковістю……………………………………………………………….	75
3.2 Розробка методу калібрування циклічних АЦП за аналізом характеристики вхід-вихід…………………………………………………..	81
3.3 Структурна реалізація циклічного АЦП, що самокалібрується за аналізом характеристики вхід-вихід……………………………………......	89
3.4 Розробка методу цифрового самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю за рахунок використання генератора калібрувальних сигналів...................................................................................	99
3.5 Оцінка точності зпропонованих методів самокалібрування циклічних АЦП……...…………………………………………………………………….	103
3.6 Висновки………………………………………………………………….	109
РОЗДІЛ 4 РОЗРОБКА РЕКОМЕНДАЦІЙ ЩОДО ПРОЕКТУВАННЯ ЦИКЛІЧНИХ АЦП ІЗ ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ……..……………….	111
4.1 Аналогові вузли високоточних перетворювачів форми інформації на базі двотактних симетричних підсилювачів струму…………………........	111
4.2 Рекомендації по проектуванню пристроїв вибірки та зберігання…….	119
4.3 Реалізація цифрової частини циклічного АЦП із ваговою надлишковістю…………………………………………………………………….	128
4.4 Рекомендації щодо використання програмного забезпечення для моделювання процедури самокалібрування цикічного АЦП за аналізом характеристики вхід-вихід...…………………………..……….……….........	133
4.5 Висновки…………………………………………………………..……....	139
ВИСНОВКИ………………………………………………………………………...	140
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………………..	143
ДОДАТКИ…………………………………………………………………………..	163
Додаток А Акти впровадження результатів дисертаційної роботи……….	164
Додаток Б Лістинг програми для моделювання процедури самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю за аналізом характеристики вхід-вихід………………………………………....	167

ПОЗНАЧЕНЬ

АК – аналоговий комутатор

АЛП – арифметико-логічний пристрій

АЦП на КК – АЦП на комутованих конденсаторах

БЕ – буферний елемент

БКер – блок керування

БЦАП – багатофункціональний ЦАП

ДОН – джерело опорної напруги

ЗЗ – зворотний зв¢язок

КЕ – ключовий елемент

КК – комутовані конденсатори

КМОН – компліментарний метал-окисел напівпровідник

МОН – метал-окисел напівпровідник

НЗ – накопичення заряду

НПСЧ – надлишкові позиційні системи числення

ОБП – обчислювальний пристрій

ОЗП – оперативний запам¢ятовуючий пристрій

ОМР – одиниця молодшого розряду

ОП – операційний підсилювач

ПВЗ – пристрій вибірки-зберігання

ПС – підсилювач струму

ПФІ – перетворювачі форми інформації

РПН – регістр послідовного наближення

СК – схема коригування

СП – схема порівняння

Актуальність теми. Цифрові технології все більше проникають у побут людей. Одним з ключових елементів сучасної електроніки є аналого-цифрові перетворювачі, оскільки у зовнішньому світі вся інформація представлена у аналоговій формі. Особливо широко АЦП використовуються в системах збору та обробки інформації, системах зв’язку, системах керування технологічними процесами. Практика вимагає постійного вдосконалення існуючих та розробки нових типів аналого-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів (АЦП та ЦАП). Основними вимогами, що висуваються до сучасних перетворювачів форми інформації (ПФІ), є висока швидкодія, точність, надійність, стабільні характеристики при зміні зовнішніх чинників та протягом тривалого часу експлуатації, а також мати можливість інтегрального виконання[1].

Одним із видів АЦП є АЦП послідовного наближення (близько 40% серед сучасних типів АЦП), які, з одного боку, мають високу точність, до 14-18 розрядів, а з іншого – досить високу швидкодію, що пояснює інтерес фахівців до цих пристроїв. До даного класу відносяться також циклічні АЦП.

Основною областю застосування циклічних АЦП є використання їх як основи для побудови конвеєрних АЦП [2], крім того їх використовують як калібрувальні АЦП. Перевагами циклічних АЦП є те, що вони відрізняються простою структурою, досить просто реалізуються в інтегральному виконанні, і враховуючи принцип роботи даних перетворювачів, мають досить низьку споживану потужність [3, 4]. Процес перетворення в пристроях такого типу зазвичай полягає в перерозподілі заряду між конденсаторами або врівноваженні його за допомогою опорних струмів чи напруг. Проте точність циклічного АЦП значно залежить від точності виконання кожним блоком своїх функцій, оскільки похибки накопичуються і циркулюють від циклу до циклу [5].

У теорії аналого-цифрового перетворення існує кілька окремих підходів для коригування похибок ваг розрядів ПФІ і характеристики перетворення в цілому, а саме: технологічні і схемотехнічні прийоми, методи самокоригування для двійкових АЦП, а також методи самоконтролю і самокалібрування для АЦП із ваговою надлишковістю [6].

Первинна точність виготовлення елементної бази аналогових вузлів, зокрема, транзисторів, резисторів, конденсаторів, як правило, є недостатньою для створення високоточних аналогових схем, зокрема, багаторозрядних перетворювачів [7]. Тому необхідне використання різних нових фізичних явищ, матеріалів і технологічних методів для припасування номіналів елементів аналогових схем, оскільки неточність виготовлення і порушення співвідношень між ними є причиною появи похибок перетворення ПФІ. Основними технологічними методами коригування і підгонки напівпровідникових резисторів є перепалювання перемичок та лазерне припасування. Підвищення точності ПФІ на основі комутованих конденсаторах частково здійснюється шляхом використання лазерного припасування елементів та загальноцентрованої геометрії. Однак, цей підхід призводить до погіршення температурних параметрів, зменшує надійність пристроїв, і суттєво збільшує вартість виробництва. Крім того, використання лише технологічних прийомів дозволяє створювати 12-розрядні АЦП і ЦАП з нормованим рівнем похибки [7, 8].

Інший шлях покращення точносних характеристик АЦП – введення надлишковості на різних рівнях проектування пристроїв: функціонально-алгоритмічному, інформаційному та структурно-схемотехнічному.

Основною ідеєю використання структурної надлишковості є введення у пристрій додаткових аналогових та цифрових вузлів [9]. При цьому, в ряді випадків, додаткові аналогові вузли та блоки повинні мати досить високі метрологічні характеристики, що передбачає використання дороговартісної елементної бази. До того ж це досить часто призводить до ускладнення алгоритмів та зменшення швидкості перетворення.

Технологічні прийоми та введення структурної надлишковості розроблялись та широко використовується провідними вітчизняними та західними фірмами, такими як Analog Devies, Intersil, Burr-Brown, Maxim Integrated Products, Texas Instruments, National Semiconductor та ін. [10-20]. Їх суть полягає в тому, що в багаторозрядному АЦП старша група розрядів реалізується як комбінація з декількох розрядів шляхом паралельного вмикання декількох джерел опорних струмів, напруги. Основним недоліком структурної надлишковості є збільшення апаратних витрат і зменшення швидкодії перетворювача [21-24]. Вище зазначені підходи в основному дозволяють вирішувати тільки одну з проблем: або підвищення точності, або – швидкодії. Принципово іншим підходом, що дозволяє досягти зменшення похибки перетворення уникнувши фізичного впливу на елементи схеми і введення додаткових блоків, є використання методів самокоригування [25-29] і самокалібрування [30-34] ваг розрядів і характеристики перетворення в цілому, що дозволяє значно (на 1÷2 порядки) зменшити похибки перетворення порівняно з первинними похибками елементів, а також використовувати неточну елементну базу для побудови аналогових вузлів.

Самокоригування АЦП (ЦАП) – це окрема процедура визначення відхилень від номінальних значень параметрів вузлів АЦП (ЦАП) і їх запам’ятовування у вигляді цифрових кодів для формування протягом вказаної процедури коригувальних поправок до характеристики вхід-вихід з метою зменшення статичних похибок з перериванням при цьому процесу основного перетворення [35]. Реалізація процедури коригування може вимагати наявності еталонних сигналів [36]. Основний недолік самокоригування – це зменшення швидкодії перетворення, оскільки розрахована поправка вводиться в процесі основного перетворення в аналоговий спосіб. Самокалібрування – це різновид коригування, що може виконуватися в АЦП (ЦАП), побудованому на основі системи числення із ваговою надлишковістю (СЧВН). У процесі вказаної процедури визначаються коди значень відхилень ваг старших «неточних» розрядів шляхом порівняння ваги поточного розряду, що калібрується, із певною сумою ваг групи сусідніх молодших розрядів на базі існуючих між ними математичних співвідношень з подальшим обчисленням коригувальних поправок або коригованих значень «неточних» розрядів [35]. В данному випадку використання спеціальних взірцевих мір або еталонних сигналів не потрібне. Самокалібрування здійснюється з метою зменшення похибок диференціальної, інтегральної лінійності, зміщення нуля характеристики вхід-вихід, а її результати можуть багатократно використовуватися у процесі основного перетворення. При цьому на відміну від самокоригування поправка вводиться у цифровій формі, що не впливає на швидкодію роботи перетворювача.

При поєднання методів самокалібрування та інформаційної надлишковості у вигляді надлишкових позиційних систем числення можна отримати ще кращі результати. Крім того, побудова АЦП на основі НПСЧ є одним із перспективних шляхів комплексного вирішення проблеми підвищення точності та швидкодії АЦП послідовного наближення [37-40].

Використання НПСЧ у техніці АЦП та ЦАП почалося в Україні з кінця 70-х років і продовжується сьогодні під керівництвом професора О. Д. Азарова [24, 30, 31, 34, 35, 37, 38]. Крім того, питанням покращення характеристик АЦП займались наукові школи України, зокрема, наукові школи під керівництвом Мичуди З.Р. [41-49] Кичака В.М. [50-53], А. І. Кондалєв, В. О. Романов, В. О. Багацький, В. А. Фабричев, Ю. С. Яковлєв [54-63], П. П. Орнатського [64-66], М. В. Аліпова [67-69], Швецького Б. Й. [70]. Також покращенням метрологічних характеристик ПФІ і систем, до яких вони входять, займалися наукові школи Ю.М.Туза, Є.Т.Володарського [11,71-72]. Крім того, загальні принципи побудови та покращення характеристик АЦП досліджувалися та розроблялися науковими школами колишнього СРСР, серед яких можна виділити, В. Б. Смолова [25, 73-78], Е. І. Гітіса [79-82].

Питанням покращення характеристик АЦП займалися відомі науковці зарубіжжя, зокрема: Х. Зумбахлен [83], С.X. Лі [84-85] з корпорації Analog Device, К. Нагарадж [86-87] з корпорації Texas Instruments, X.С. Лі [88-90], М.К. Майес та С.В. Чін [91-93] з корпорації National Semiconductor, Г. де Хаан, Дж. Меєрберген [94] з Philips, П.Р. Грей [95-96], а також співробітники науково-дослідних підрозділів інших корпорацій.

Враховуючи особливості функціонування циклічних АЦП, збільшення їх розрядності призводить до експоненційного зростання похибки перетворення, що призводить до зміни робочої системи числення перетворювача. Застосування вагової надлишковості дозволить визначити дані відхилення і оперативно реагувати на них. Однак функціональні особливості циклічних АЦП не дають можливості формально перенести відомі підходи підвищення точності та швидкодії АЦП за рахунок НПСЧ на пристрої даного класу і потребують додаткових детальних досліджень. Таким чином, наукова задача, пов’язана зі створенням нового класу циклічних АЦП з ваговою надлишковістю є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведено в цій дисертаційній роботі, проводилися здобувачем протягом 2009-2012 років згідно з науковим напрямком кафедри обчислювальної техніки Вінницького національного технічного університету, а також як виконавцем науково-дослідних програм «Теорія побудови пристроїв та елементної бази прискореного високоточного аналого-цифрового перетворення» (номер державної реєстрації 0105U000664) та «Методи, пристрої та елементна база високопродуктивного, відмовостійкого аналого-цифрового перетворення» (номер державної реєстрації 0111U001114).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності циклічних АЦП за рахунок використання вагової надлишковості.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:

1. Провести аналіз існуючих методів підвищення точності циклічних АЦП. Проаналізувати можливість застосування вагової надлишковості для підвищення точності циклічних АЦП.

2. Розробити математичні моделі статичних похибок циклічних АЦП, що дозволить оцінити складові загальної похибки перетворення та вплив усіх чинників на точність перетворювача.

3. Дослідити характеристику вхід-вихід циклічного АЦП.

4. Розробити новий метод калібрування циклічних АЦП з ваговою надлишковістю шляхом аналізу характеристики вхід-вихід.

5. Розробити рекомендації щодо побудови циклічних АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібруються.

6. Розробити рекомендації щодо проектування аналогових вузлів для побудови циклічних АЦП із ваговою надлишковістю.

7. Розробити рекомендації користувачу щодо використання програмного забезпечення для моделювання процедури самокалібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю, а також здійснити аналіз отриманих результатів.

Об’єктом дослідження є процес функціонування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю.

Предметом дослідження є статичні похибки циклічних АЦП із ваговою надлишковістю та методи їх зменшення.

Методи дослідження базуються на використанні: теорії побудови АЦП і ЦАП з ваговою надлишковістю для аналізу можливості забезпечення проведення процедури цифрового самокалібрування для циклічних АЦП; теоретичних основ електричних схем для дослідження аналогових вузлів АЦП; теорії похибок, а також теорії ймовірності та математичної статистики для розробки моделей статичних похибок перетворення до і після самокалібрування; теорії цифрових автоматів для синтезу схем керування та обчислення результату перетворення; теорії об’єктно-орієнтованого програмування для комп’ютерного моделювання процедури самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю, а також здійснення аналізу отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше запропоновано метод самокалібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю за аналізом характеристики вхід-вихід АЦП, що дозволило підвищити точність перетворювача;

- вперше запропоновано метод побудови циклічного АЦП із ваговою надлишковістю шляхом введення структурної надлишковості у вигляді калібрувального АЦП малої роздільної здатності та генератора калібрувальних сигналів у базову структуру, що дозволяє підвищити точність перетворення;

- набув подальшого розвитку метод аналізу характеристики вхід-вихід АЦП із ваговою надлишковістю, який, на відміну від існуючого дозволив визначити зони заборонених кодових комбінацій, що дало змогу розрахувати робоче значення основи системи числення перетворювача;

- отримала подальшого розвитку узагальнена математична модель статичних похибок циклічного АЦП, в якій, на відміну від існуючої, визначено зв'язок між первинними похибками окремих елементів перетворювача та характеристикою вхід-вихід АЦП, що дозволило систематизувати статичні похибки та запропонувати шляхи їх зменшення.

Достовірність отриманих результатів підтверджується збігом результатів, отриманих аналітичними методами, з результатами комп’ютерного моделювання й експериментальних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримані теоретичні положення дозволили:

- розробити алгоритми калібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю;

- запропонувати структурну схему циклічного АЦП із ваговою надлишковістю, що реалізує метод самокалібрування за аналізом характеристики вхід-вихід;

- запропонувати структурну схему циклічного АЦП із ваговою надлишковістю, що включає калібрувальний АЦП;

- розробити рекомендації щодо проектування вузлів аналогової частини циклічного АЦП із ваговою надлишковістю;

- розробити програмне забезпечення для моделювання  процесу самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю.

Метод калібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю шляхом аналізу передатної характеристики та схемотехнічні рішення побудови його цифрових та аналогових блоків впроваджено в Інституті електроніки та зв’язку Української академії наук, м. Київ, акт впровадження затверджено 30.07.2012. Математичну модель статичних похибок циклічних АЦП, метод калібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю шляхом введення структурної надлишковості та програмне забезпечення для моделювання  процесу самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю впроваджено у навчальному процесі на кафедрі обчислювальної техніки у Вінницькому національному технічному університеті під час читання лекцій, проведення лабораторних робіт та курсового проектування з дисциплін: «Комп’ютерна електроніка», «Лінійні інтегральні схеми», «Аналого-цифрова техніка», акт впровадження затверджено 05.07.2012.

Особистий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві: запропоновано метод зменшення похибки квантування АЦП із ваговою надлишковістю за рахунок проведення процедури багаторазового калібрування [97], запропоновано алгоритм самокалібрування АЦП та проведено аналіз ефективності даного алгоритму [98], запропоновано метод самокалібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю шляхом введення у базову структуру генератора калібрувальних сигналів та допоміжного калібрувального АЦП [99], досліджено характеристику вхід-вихід циклічного АЦП із ваговою надлишковістю та розроблено алгоритм фонового калібрування [100], запропоновано узагальнену математичну модель статичних похибок циклічного АЦП, в якій визначено зв'язок між первинними похибками окремих елементів перетворювача та характеристикою вхід-вихід АЦП і систематизовано статичні похибки циклічного АЦП [101], запропоновано математичну модель способу аналого-цифрового перетворення [102], запропоновано структуру генератора калібрувальних сигналів пристрою аналого-цифрового перетворення [103], запропоновано математичну модель способу аналого-цифрового перетворення [104], запропоновано структуру генератора калібрувальних сигналів пристрою аналого-цифрового перетворення [105], запропоновано схему проміжного каскаду для збільшення точності двотактного симетричного підсилювача струму [106], запропоновано схему проміжного каскаду для збільшення точності двотактного симетричного підсилювача струму [107], запропоновано та реалізовано алгоритм розв’язання рівнянь для визначення робочої системи числення [108], запропоновано метод зменшення похибки квантування АЦП із ваговою надлишковістю за рахунок проведення процедури багаторазового калібрування [109], запропоновано алгоритм самокалібрування АЦП та проведено аналіз ефективності даного алгоритму [110], запропоновано алгоритм роботи методу самокалібрування АЦП [111], запропоновано метод самокалібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю шляхом введення у базову структуру генератора калібрувальних сигналів та допоміжного калібрувального АЦП [112], запропоновано метод калібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю на основі статистики дозволених комбінацій, що входять до характеристики вхід-вихід АЦП [113], запропоновано метод реалізації циклічного АЦП на основі базових структур реалізації блоків перетворювача [114], запропоновано узагальнену математичну модель статичних похибок циклічного АЦП, в якій визначено зв'язок між первинними похибками окремих елементів перетворювача та характеристикою вхід-вихід АЦП та систематизовано статичні похибки циклічного АЦП [115].

Усі дослідження проводились у Вінницькому національному технічному університеті.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи було апробовано у доповідях на науково-технічних конференціях:

-                     «Розробка та дослідження методів цифрового самокалібрування з використанням вагової надлишковості» на дев’ятій міжнародній науково-технічної конференції «Контроль і управління в складних системах (КУСС-2008)» , Вінниця, 2008.

-                     «Високоточний АЦП із перерозподілом заряду із застосуванням вагової надлишковості» на другій міжнародній науково-практичної конференції «Методи та засоби кодування, захисту й ущільнення інформації», м. Вінниця, 2009.

-                     «Самокалібрований циклічний АЦП із ваговою надлишковістю» на другій міжнародній конференції «Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія», м. Вінниця, 2009;

-                     «Метод калібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю»  на десятій міжнародній науково-технічної конференції «Контроль і управління в складних системах (КУСС-2010)» , Вінниця, 2010.

-                     «Метод реалізації циклічного АЦП із ваговою надлишковістю» на третій міжнародній науково-практичної конференції «Методи та засоби кодування, захисту й ущільнення інформації», м. Вінниця, 2011.

-                     «Аналіз статичних похибок циклічного АЦП із ваговою надлишковістю» на третій міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія", м. Вінниця, 2012.

-                     На трьох щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів Вінницького національного технічного університету за участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниця 2009-2012 років.

Публікації. За підсумками наукових досліджень опубліковано 19 наукових праць, включаючи 5 статей у наукових журналах [97–101], що входять до пер

Список литературы

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновано методи підвищення точності циклічних АЦП за рахунок використання вагової надлишковості. Отримані наукові положення є внеском у подальший розвиток теорії аналого-цифрового і цифроаналогового перетворення на основі позиційних систем числення із ваговою надлишковістю, що пов’язаний із створенням високоточних багаторозрядних АЦП порозрядного кодування.

Основні результати досліджень такі:

1. Здійснено аналіз існуючих методів підвищення точності циклічних АЦП, в тому числі за рахунок покращення технології та структурної надлишковості і показано, що вони призводять до ускладнення структури АЦП, підвищення вимог до вузлів перетворювача і зменшення швидкодії. Показано, що актуальним питанням є розробка нових методів підвищення точності циклічних АЦП, в тому числі за рахунок використання методу цифрового самокалібрування із використанням вагової надлишковості, оскільки вона дозволяє отримати досить високі метрологічні характеристики навіть при використанні низькоточних аналогових вузлів.

2. Запропоновано метод самокалібрування циклічних АЦП із ваговою надлишковістю за аналізом характеристики вхід-вихід АЦП, що дозволяє підвищити точність перетворювача принаймні в 2 рази порівняно із відомими підходами. Розроблений метод дозволяє визначити робоче значення основи системи числення циклічного АЦП для усіх зон «заборонених» комбінацій і доведено, що найінформативнішою є центральна зона. Результати досліджень дозволили визначити діапазон значень систем числення АЦП, що знаходиться в межах від 1,8 до 1,95, для яких похибка калібрування є найменшою.

3. Набув подальшого розвитку метод аналізу характеристики вхід-вихід АЦП із ваговою надлишковістю, який, на відміну від існуючого дозволив визначити зони заборонених кодових комбінацій і розрахувати робоче значення основи системи числення перетворювача.

4. Отримала подальшого розвитку узагальнена математична модель статичних похибок циклічного АЦП, в якій, на відміну від існуючої, визначено зв'язок між первинними похибками окремих блоків перетворювача та характеристикою вхід-вихід АЦП, що дозволило систематизувати статичні похибки та запропонувати шляхи їх зменшення. Доведено, що модель похибок є універсальною незалежно від структурної реалізації циклічного АЦП. Усі похибки можна розділити по впливу на характеристику вхід-вихід на дві групи: перша з яких впливає на лінійність перетворювача, а друга на коефіцієнт нахилу характеристику вхід-вихід, а також показано, що найкритичнішими є похибки спричинені відхиленням аналогових компонентів схеми від номіналу і похибки зсуву нуля блоків схеми.

5. Подальшого розвитку отримав метод побудови циклічного АЦП із ваговою надлишковістю шляхом введення структурної надлишковості у вигляді калібрувального АЦП у базову структуру, який відрізняється введенням генератора калібрувальних сигналів, що дозволяє підвищити точність перетворення. Запропонований метод повністю усуває адитивну складову похибки перетворення і дозволив зменшити вплив мультиплікативної. З метою мінімізації апаратних витрат та підвищення ефективності методу запропоновано використовувати калібрувальний АЦП малої розрядності, що виконує процедуру багаторазового врівноваження із усередненням результату.

6. Запропоновано структурну схему циклічного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується за аналізом характеристики вхід-вихід, яка складаються із загальновідомих блоків для реалізації циклічного АЦП та оригінальних розроблених блоків, які реалізують запропонований метод самокалібрування та контролюють роботу перетворювача.

7. Розроблено рекомендації щодо проектування вузлів аналогової частини циклічного АЦП із ваговою надлишковістю. Запропоновано схеми двотактних симетричних підсилювачів постійного струму (похибка лінійності яких не перевищує 1%)  та ПВЗ (похибка лінійності не перевищує 0,001%), які додатково підвищують точність циклічного АЦП.

8. Розроблено програмне забезпечення для моделювання  процесу самокалібрування циклічного АЦП із ваговою надлишковістю за аналізом характеристики вхід-вихід, яке дозволяє отримати відповідність між кількістю точок, що потрапили в центральну зону багатозначного представлення, та значенням робочої системи числення циклічного АЦП. Також програмне забезпечення дозволяє оцінити точність запропонованого методу калібрування. З метою підвищення швидкодії циклічного АЦП, результати роботи програми записуються у ПЗП перетворювача і використовуються в режимі основного перетворення.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.                Біліченко Н. О. Високоточні аналого-цифрові перетворювачі з перерозподілом заряду на основі інформаційної надлишковості: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.05 / Наталя Олександрівна Біліченко; Вінницький національний технічний університет. – Вінниця, 2001. – 16 с.

2.                Mikael Gustavson. CMOS data converter for communications. / Mikael Gustavson, J. Jacob Wikner, Nianxiong Nick Tan. – USA, New York, Boston, Kluwer Academic Publishers, 2002. – 377p. – ISBN 0-792-37780-X.

3.                Chuenarom S. Application Techniques for High Performance ADC /         S. Chuenarom, V. Tipsuwarnpron // IEEE Journal of Solid State Circuits. – Oct. 2006. – №10. – P. 749-752.

4.                Bhatia V. Efficient Circuit Configuration for Algorithmic ADCs [Електронний ресурс] / Veepsa Bhatia, Neeta Pandey // URSI GA Poster presentations. – October 2005 / Режим доступу до журналу: http://www.ursi.org/Proceedings/ProcGA05/pdf/CP3.23(01662).pdf.

5.                Angel Rodrigez-Vazquez. CMOS Telecom Data Converters / Angel Rodrigez-Vazquez, Fernando Medeiro, Edmond Janssens. – USA, New York, Boston, Kluwer Academic Publishers, 2003. – 588 p. – ISBN 1-4020-7546-4.

6.                Кадук О. В. Відмовостійкі багаторозрядні АЦП і ЦАП, що самокалібруються, з ваговою надлишковістю: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.05 / Олександр Володимирович Кадук ; Вінницьки національний технічний університет. – Вінниця, 2010. – 20 с.

7.                Alan Hasting. The Art of Analog Layout / Hasting A. – USA, New York, Boston, Kluwer Academic Publishers, 2001. – 539 p.

8.                High Speed, High Accuracy, 14-Bit, 16-Bit, and 18-Bit PulSAR ADCs [Електронний ресурс] / Analog Devices // офіційний сайт. – Режим доступу: http://www.analog.com/static/imported-files/overviews/PulSAR.pdf.

9.                Тимофеев А. Л. Аналого-цифровые преобразователи повышенной динамической точности: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.05 / А.Л. Тимофеев. – Уфа, 1984. – 20 с.

10.           Mukhanov O. A. A superconductor high-resolutionADC / Mukhanov O.A., Semenov V.K., Li W., Filippov T.V., Gupta D., Kadin A.M., Brock D.K., Kirichenko A.F., Polyakov Y.A., Vernik I.V. // IEEE Trans. on Applied Superconductivity. – March 2001. – vol. 11. – Р. 601-606.       

11.           Туз Ю. М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств / Туз Ю. М. – К.: Вища шк. Главное изд-во, 1976. –285 с.

12.           Jing W.  Very linear ramp-generators for high resolution ADC BIST and calibration / Jing W., Sanchez-Sinencio E., Maloberti F. // IEEE Midwest Symposium of Circuits and Systems. – Aug. 2000. – vol. 2. – Р. 908-911.

13.           Mustafin Т. А. Structural method of increasing the accuracy of a fast ADC / Т. А. Mustafin // Measurement techniques. – 1986. – Vol. 29. – Р.10-12.

14.           Тимофеев А.Л. Аналого-цифровые преобразователи повышенной динамической точности: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.05 / А.Л. Тимофеев. – Уфа, 1984. – 20 с.

15.           Murmann B. A 12-bit 75-MS/s pipelined ADC using open-loop residue amplification / B. Murmann, B.E. Boser // IEEE J. Solid-State Circuits. – Dec 2003. – vol. 38. – Р. 2040-2050.

16.           Nilchi A. CMOS image compression sensor with  algorithmically-multiplying ADCs / A. Nilchi, J. Aziz, R. Genov // IEEE J. Solid-State Circuits. – May 2009. – Р. 1497-1500. – ISBN: 978-1-4244-3827-3.

17.           Genov R. Algorithmic partial analog-to-digital conversion in mixed-signal array processors / R. Genov, G. Cauwenberghs // IEEE Int. Symp. on Circuits and Systems. – May 2003. – №5. – Р. 769-772.

18.           Kun Ch. A dynamic reconfigurable A/D converter for sensor applications / Ch. Kun, A. Mason, Sh. Chakrabartty // IEEE J. Solid-State Circuits. – Nov 2005. – №11. – Р. 1221-1224. –  ISBN: 0-7803-9056-3.

19.           Rao P. P. A 80Ms/sec 10bit PIPELINED ADC Using 1.5Bit Stages And Built-in Digital Error Correction Logic / P.P. Rao, K.L. Kishore // International Journal of VLSI design & Communication Systems (VLSICS). – September 2011. – Vol.2. –   Р. 39-49.

20.           Lin J.-F. Low-Power and Wide-Bandwidth Cyclic ADC With Capacitor and Opamp Reuse Techniques for CMOS Image Sensor Application / J.-F. Lin,          S.-J. Chiu , H.-H. Tsai , J.-J. Wang // IEEE Journal of Solid State Circuits. – Dec 2009. – Vol. 9. – Р. 2044-2054. – ISSN:1530-437X.

21.           Yng Sh. A low-voltage CMOS 5-bit 600 MHz 30 mW SAR ADC for UWB wireless receivers / Sh. Y. Ng , B. Jalali, P. Zhang, J.Wilson, M. Ismail // IEEE Midwest Symposium on Circuit sans Systems. – Aug 2005. – Vol. 1. – Р. 184-190.

22.           Dorrer L. A 3-mW 74-dB SNR 2-MHz continuous-time delta-sigma ADC with a tracking ADC quantizer in 0.13-μm CMOS / L. Dorrer, F. Kuttner, P. Greco,     P. Torta, T. Hartig // IEEE Journal of Solid State Circuits. – Dec 2005. – Vol. 40. –      Р. 2416-2427. – ISSN 0018-9200.

23.           Yin Sh. A new half-flash architecture for high speed video ADC / Sh Yin, L. Shizu, Z. Ronghua, W. Shoujue // IEEE Solid-State and Integrated Circuit Technology. – 1998. – Р. 377-380. – ISBN 0-7803-4306-9.

24.           Азаров О. Д. Аналого-цифрове порозрядне перетворення на основі систем числення з ваговою надлишковістю. Монографія / О. Д. Азаров. – Вінниця: ВНТУ, 2010. – 232 с. – ISBN 966-641-354-6.

25.           Смолов В. Б. Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи напряжений / В. Смолов, Н. Смирнов. – Л.: Энергия, 1967. – 312с.

26.           Albert O'Grady. Getting 14-Bit Performance from a 32-Channel 14-Bit String DAC [Електронний ресурс] / Albert O'Grady // Analog Devices: офіційний сайт. Режим доступу до журн.: www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-02/calibration.pdf.

27.           Phillip E. Allen. CMOS Analog Circuit Desing / Phillip E. Allen,      Douglas R. Holberg. – Oxford: Oxford University Press, 2002. – 784 p.

28.           Goodenough F. Dual 18-bit ADC chip grabs 20-kHz audio / Goodenough F. – Electronic Design. – 1989. – vol. 14.

29.           Mosley J.D. Seif-calibrating 16-bit A/D converter quarantees no missing codes to 50 kHz / Mosley J.D. – EDN. – 1987. – vol. 32, №2.

30.           Азаров О. Д. Основи теорії аналого-цифрового перетворення на основі надлишкових позиційних систем числення. Монографія / Азаров О.Д. – Вінниця: Універсум, 2004. – 260с.

31.           Захарченко С. М. Самокалібровані АЦП із накопиченням заряду на основі надлишкових позиційних систем числення. Монографія / Захарченко С. М., Азаров О. Д., Харьков О. М. – Вінниця: УНІВЕРСУМ–ВІННИЦЯ, 2005. – 235 с. – ISBN 966-641-141-5.

32.           Крупельницький Л. В. Аналого-цифрові пристрої систем, що самокоригуються, для вимірювань і обробляння низькочастотних сигналів. Монографія / Л. Крупельницький, О. Азаров. – Вінниця: УНІВЕРСУМ–Вінниця, 2005. – 167 с.

33.           Харьков О. М. Швидкодіючі високоточні АЦП із перерозподілом заряду з ваговою надлишковістю, що самокалібруються: автореф. дис на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.05 / О. М. Харьков; Вінницький національний технічний університет. – Вінниця, 2007. – 16 с.

34.           Азаров О. Д. Обчислювальні АЦП і ЦАП, що самокалібруються, для систем цифрового обробляння аналогових сигналів. Монографія / О. Азаров, О. Коваленко. – Вінниця: УНІВЕРСУМ–Вінниця, 2006. – 147 с.

35.           Азаров О. Д. Багаторозрядні АЦП і ЦАП, із ваговою надлишковістю, стійкі до параметричних відмов. Монографія / О.Д. Азаров, О.В. Кадук – Вінниця: ВНТУ, 2010. – 150 с. ISBN  978-966-641-369-0

36.           Стрельников В. П. Оценка и прогнозирование надежности электронных элементов и систем / В. Стрельников, А. Федухин. – К.: Логос, 2002. – 486 с.

37.           Азаров А. Д. Разработка теории аналого-цифрового преобразования на основе избыточных позиционных систем счисления: автореф. дис. д-ра техн.наук: 05.11.16 / Азаров Алексей Дмитрович; Винницкий политехнический институт. - Винница, 1994. – 44 с.

38.           Азаров О. Д. Підвищення точності та швидкодії аналого-цифрових перетворювачів методами інформаційної надлишковості / Азаров О.Д., Захарченко С.М., Кравцов М.О. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1998. – №2. – С. 78-83.

39.           Стахов А.П. Избыточные двоичные позиционные системы счисления / Стахов А.П. // Однородные цифровые вычислительные и интегрирующие структуры. – 1974. – №2. – C. 5-41.

40.           Захарченко С.М. Високоточні АЦП з перерозподілом заряду для систем контролю та керування / Захарченко С.М., Біліченко Н.О // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2000 – №4. – С. 65 – 67.

41.           Mychuda Z. Analiza parametrów układów elektronicznych // Z.Mychuda, Zb.Szczesniak. – Warszawa: Wydawnictwo PAK (Pomiary, automatyka, kontrola), 2011. – 122 s.        

42.           Mychuda Z. A method of charge accumulation in the logarithmic analog-to-digital converter with a successive approximation / Z.Mychuda, A.Szczesniak // Przegląd elektrotechniczny (Electrical Review). – 2010. – №10.– pp.336-340. – ISSN 0033-2097. 

43.           Мичуда З. Р. Моделювання впливу паразитних міжелектродних ємностей в логарифмічних АЦП з накопиченням заряду з імпульсним від’ємним зворотним зв’язком / З. Мичуда, Л. Мичуда, У. Антонів, А. Шиманський // Міжвідомчий зб. «Вимірювальна техніка і метрологія». – Л.: Вища школа. – 2010. – вип.71. – С. 13-19.

44.           Мичуда З. Р. Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з накопиченням заряду. Частина 2 / Мичуда З. Р., Антонів У. С. // Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Серія: Автоматика, вимірювання та керування. – 2010. – вип. 665. – С. 3-11.   

45.           Мичуда З. Р. Оцінка динамічних властивостей логарифмічних АЦП на комутованих конденсаторах / Католик Б. О., Ільканич К. І., Мичуда З. Р. // Збірник наукових праць - Національний гірничий університет України, Дніпропетровськ. – 2004. – № 19 (т.2). – С.135-143.

46.           Мичуда З. Р. Моделювання впливу струмів витікання в логарифмічних АЦП з перерозподілом заряду / Мичуда З. Р. // Вісник НУЛП - Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. –2005. – вип.№ 537. –         С. 103-106.

47.           Мичуда З. Р. Оцінка точності ЛАЦП на комутованих конденсаторах / Мичуда З. Р., Коструба О. Р., Ільканич К. І. // Вісник Черкаського Державного те16хнологічного університету. – 2005. – №3. – С.181-184.

48.           Мичуда З. Р. Підвищення точності та швидкодії логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів / Мичуда З. Р., Католик Б. О. // Вісник Черкаського Державного технологічного університету. – 2006. –  №3. –                С. 203-205.

49.           Мичуда З. Р. Моделювання впливу паразитних міжелектродних ємностей в логарифмічних АЦП з накопиченням заряду з імпульсним від’ємним зворотним зв’язком / З. Мичуда, У. Антонів, А. Шиманський // Міжвідомчий зб. «Вимірювальна техніка і метрологія». – 2010. – вип.71. – С.13-19.

50.           Кичак В. М. Аналого-цифровой преобразователь на базе табличного метода коррекции дифференциальной нелинейности / Кичак В. М., Бортник Г. Г., Бортник С. Г. // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2007. – №5,        С. 124-128. – ISSN 1997-9266.

51.           Кичак В. М. Дослідження тестових сигналів для контролю характеристик аналого-цифрових перетворювачів / Кичак В. М., Бортник С. Г., Пунченко Н. О. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2010. – №1. – С. 88-91. – ISSN 2219-9365.

52.           Кичак В. М. Статистичний метод коригування не лінійності аналого-цифрових перетворювачів / Кичак В. М., Бортник С. Г., Пунченко Н. О. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2010. – №1. – С. 80-84. – ISSN 2219-9365.

53.           Кичак В. М. Аналого-цифровий перетворювач на базі табличного методу коригування диференціальної нелінійності / Г. Г. Бортник, В. М. Кичак,  С. Г. Бортник // Вісник Вінницького політехн. ін-ту. – 2007. – № 5 (74). –              С. 124-128.

54.           Кондалев А. И. Системные преобразователи формы информации / А.И. Кондалев. – Киев: Наукова думка, 1974. – 336 с.

55.           Кондалев А. И. Анализ системных параметров зарубежных АЦП и ЦАП / А. И. Кондалев, В. А. Багацкий // Управляющие системы и машины. – 1976. – № 1. – С. 52-60.

56.           Вопросы проектирования преобразователей формы информации /     А. И. Кондалев, А. Н. Никитин, В. А. Багацкий, В. А. Романов, В. П. Стокай, Н. В. Бесарабов // К.:Наукова думка, 1977. – 242 с.

57.           Высокопроизводительные преобразователи формы информации / А. И. Кондалев , В. А. Багацкий , В. А. Романов , В. А. Фабричев  // К.: Наукова думка. – 1987. – 280с.

58.           Романов В.А. Высокопроизводительные преобразователи формы информации АЦП-36 и ПФИ-I / В. А. Романов, А. И. Кондалев, П. С. Клочан,      В. Н. Лаврентьев, Л. В. Тесленко, Т. И. Гончарук // УСиМ. – 1985. – № 6. –       С.126–128.      

59.           Романов В.А. Преобразователи формы информации: современное состояние и перспективы развития / В.А. Романов, В.О. Багацкий, П.С. Клочан, Л.В. Тесленко // ІК НАНУ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2003. – № 2.

60.           Преобразователи формы информации с обработкой даннях /           В.А. Багацкий, И.В. Самус, Ю.М. Грешищев, В.А. Фабричев // Киев: Наукова думка. – 1992. – 264 с.

61.           Багацький В.О. Передавальні характеристики елементів аналого-цифрових пристроїв / В.О. Багацький // “Комп’ютерні засоби, мережі та системи”. – 2002. – №1. – С. 45-52.

62.           Кондалев А. И. Вклад Украины в развитие системных преобразователей формы информации / А. И. Кондалев, В. А. Романов,             В. А. Багацкий, П. С. Клочан // Труды Междунар. симпозиума "Компьютеры в Европе. Прошлое, настоящее и будущее". – К.: ИК НАН Украины, 1998. – 130 с.

63.           Романов В. А. Теория, методы построения и техническая реализация микропроцессорных преобразователей формы информации с повышенной надежностью и производительностью: автореф. дис. на соискание учен. степени д-ра техн. наук: спец. 05.13.05 / В. А. Романов. – Киев, 1994. – 34с.

64.           Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники [2-е изд., перераб. и доп.] / П. П. Орнатский. – К.: Вища школа, 1983. – 455 с.

65.           Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы / Орнатский П. П. – К.: Вища школа, 1980. – 560 с.

66.           Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) [5-е изд., перераб. и доп.] / П. П. Орнатский. – К.: Вища шк. Главное изд-во, 1986. – 504 с.

67.           Алипов Н. В. Алгоритмы функционирования параллельно-последовательных преобразователей формы информации, корректирующих динамические ошибки / Н. В. Алипов // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. – 1985. – №2. – С.57-64.

68.           Алипов Н. В. Об одном классе корректирующих алгоритмов аналого-цифрового преобразования / Н. В. Алипов // Радиотехника. – 1985. –  №1. –          С. 120-125.

69.           Алипов Н. В. Разработка теории методов решения задач помехоустойчивого поиска и преобразования информации: автореф. дис. на соискание учен. степени д-ра техн. наук: спец. 05.13.05 / Н. В. Алипов – Харьков, 1986. – 54 с.

70.           Швецкий Б. И. Электронные цифровые приборы [2-е изд, перераб. и доп.] /  Б. И. Швецкий – К.: Техника, 1991. – 191 с.

71.           Володарский Е. Т. Планирование, организация измерительного эксперимента / Е. Т. Володарский, Б. Н. Малиновский, Ю. М. Туз. – К.: Вища школа, 1987. – 280 с.         

72.           Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю /                       Є. Т. Володарський, В. В. Кухарчук, В. О. Поджаренко, Г. Б. Сердюк // Вінниця: Велес. – 2001. – 219с.

73.           Грушвицкий Р. И.  Аналого-цифровые периферийные устройства микропроцессорных систем / Р. И. Грушвицкий, А. Х. Мурсаев, В. Б. Смолов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 160 с.

74.           Смолов В. Б. Вопросы построения интегральных преобразователей напряжения в код / В. Б. Смолов, В. К. Шмидт, Н. Н. Варлинский,                      В. О. Молодцов , С. М. Павлов , В. А. Немнонов // Вопросы преобразования информации. – 1972. – Вып. 6.–– С. 3-9.

75.           Смолов В. Б. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации / В. Б. Смолов. – Л.: Энергия, 1976. –      С. 336.

76.           Смолов В. Б. Аналого-цифровые комплексы / В. Б. Смолов, А. В. Анисимов, К. М. Исмаилов. – Л.: ЛЭТИ, 1980. – 96 с.

77.           Чернявский Е. А. Системы автоматизированного проектирования средств ИИТ / Е. А. Чернявский, В. Б. Смолов, А. В. Минаев. – Л.: ЛЭТИ, 1988. – 58с.

78.           Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации /            В. Б. Смолов.  – Л.: Энергоиздат, 1981. – 247 с.

79.           Автоматизация проектирования аналого-цифровых устройств /       Э. И. Гитис, Б. Л. Собкин, А. Н. Подколзин и др.; под ред. Э.И. Гитиса. – М: Энергоатомиздат, 1987. – 182 с.     

80.           Гитис Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств / Э. И. Гитис. – М.: Энергия, 1970. – 400 с.

81.           Гитис Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств / Э. И. Гитис. – М.: Энергия, 1975. – 448 с.     

82.           Гитис Э. И. Аналого-цифровые преобразователи / Э. Гитис,                 Е. Пискулов. – М.: Энергоиздат, 1981. –360с.