Разработка и исследование высокоточных АЦП и ЦАП на основе избыточных измерительных кодов Моисеев Вячеслав Иванович

Одной из важнейших проблем в области естественных и технических наук, сформулированных в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на .I98I-I985 -годы и на период до 1990 года", является "развитие приборостроения на основе повышения технического уровня вычислительной техники, приборов и средств автоматизации". Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью цифровых измерительных приборов, систем преобразования и отображения информации, а также важными компонентами различных автоматических систем контроля и управления. Потребность в АЦП и ЦАП стимулирует их разработку и производство с новыми, более совершенными характеристиками, что в свою очередь приводит к возникновению новых областей применения.

В настоящее время применяют три вида технологии производства ЦАП и АЦП: модульную, гибридную и полупроводниковую. При этом доля производства полупроводниковых интегральных схем в общем объеме их выпуска непрерывно растет, однако достаточно высоких параметров по точности и быстродействию удалось достичь только в модульном и гибридном исполнении.

Технологические возможности производства полупроводниковых ИС АЦП и ЦАП в настоящее время лежат в области 10-12 разрядных преобразователей, поэтому более высокие метрологические параметры получают на основе гибридной и модульной технологии при введении избыточности в разрабатываемые преобразователи. Весьма актуальной является задача разработки высокоточных АЦП и ЦАП на 14-16 двоичных разрядов с повышенной стабильностью метрологических параметров. Такие высокоточные преобразователи находят применение в автоматизированных системах контроля параметров при производстве и эксплуатации АЦП и ЦАП меньшей разрядности, в устройствах высо кокачественной цифровой магнитной записи, в системах автоматизации научных экспериментов и других областях науки и техники.

Одним из перспективных направлений при разработке высокоточных АЦП и ЦАП является использование избыточных измерительных кодов (кодов Фибоначчи, "золотой" пропорции и др.) [1,2,3]. В АЦП и ЦДЛ, построенных на основе этих кодов, упрощается процедура поверки и контроля, а также возникает возможность создавать самокорректирующиеся преобразователи, результирующая погрешность которых меньше погрешности изготовления элементной базы АЦП и ЦАП.

В направлении создания АЦП и ЦАП на основе методов избыточного кодирования в последние годы ведутся интенсианые научные исследования как в СССР, так и за рубежом. Например, в 1983 г. американская фирма ІП/tertiO приступила к серийному производству интегрального АЦП 14-разрядноЙ точности без лазерной подгонки. Высокие точностные и технологические характеристики указанного АЦП достигнуты за счет использования одной из модификаций избыточного кода Фибоначчи.

Однако вопросы, связанные с оптимизацией избыточного кодирования в АЦП и ЦАП, повышением эффективности способов поверки и коррекции инструментальных погрешностей высокоточных АЦП, а особенно ЦАП, а также вопросы преобразования информации из избыточного кода в двоичный и наоборот с целью согласования таких АЦП и ЦАП с двоичными устройствами цифровой вычислительной техники исследованы недостаточно.

Таким образом, необходимость создания высокоточных и метрологически стабильных АЦП и ЦАП, некритичных к технологической точности изготовления элементной базы, обладающих оптимальной избыточностью и совместимых по форме представления цифровой информации с двоичными устройствами цифровой вычислительной техники обусловили актуальность исследований.

Работа выполнялась в рамках целевой научно-технической программы 0.80.14, утвержденной постановлением ГКНТ СССР и АН СССР 475/251/133 от 12.12.80 г.

В первой главе проведен анализ научно-технической и патентной литературы по методам и устройствам контроля и поверки преобразователей информации, способам коррекции инструментальных погрешностей АЦП и ЦАП, кодам, применяемым в преобразователях информации. Это позволило выделить вопросы которые необходимо решить для выполнения поставленной задачи и сформулировать цели диссертационной работы.

Во второй главе проведено исследование непрерывных измерительных шкал - нового класса избыточных кодов, ориентированных на улучшение метрологических характеристик преобразователей информа-ции. Предложена методика выбора непрерывной измерительной шкалы для различных вариантов реализации и условий эксплуатации АЦП и ЦШ.

В третьей и четвертой главах диссертационной работы исследованы принципы построения самокорректирующихся ЦАП и АЦП, а также программно-корректируемых ЦАП на основе непрерывных измерительных шкал.

В пятой главе диссертационной работы изложены материалы разработки по самокорректирующемуся АЦП и программно-корректирующемуся универсальному АІЩ-ЦАП на основе непрерывных шкал и результаты их экспериментального исследования.

Основные научные результаты диссертационной работы нашли практическое применение в двух хоздоговорных работах, проведенных кафедрой вычислительной техники Винницкого политехнического института и СКТБ "Модуль" Винницкого политехнического института с предприятиями г.Москвы и г. Еревана.

Основными научными положениями,выносимыми на защиту,являются:

1. Принципы построения непрерывных измерительных шкал, обладающих оптимальной избыточностью.

2, Развитие существующих и создание новых способов поверки и самокоррекции ЦАП и АЦП, построенных на основе непрерывных измерительных шкал.

3, Разработка принципов построения и создание самокорректирующегося АЦП на основе непрерывных измерительных шкал с двоичным выходным кодом.

4. Разработка принципов построения и создание программно- корректируемого универсального АЦП-ЦАП на основе непрерывных шкал.