Метод цифро-аналогового преобразования

Предложен метод уменьшения не только дифференциальной нелинейности цифро-аналогового преобразования, но и интегральной с одновременным увеличением разрешающей способности. Указана перспектива развития метода при построении цифровых измерительных устройств на переменном токе....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2005
Автор:	Кирющенко, И.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2005
Назва видання:	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Теми:	Разработка новых средств и методов контроля морской среды
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57032
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метод цифро-аналогового преобразования. / И.Г. Кирющенко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 477-483. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-57032
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-570322014-03-03T03:01:37Z Метод цифро-аналогового преобразования Кирющенко, И.Г. Разработка новых средств и методов контроля морской среды Предложен метод уменьшения не только дифференциальной нелинейности цифро-аналогового преобразования, но и интегральной с одновременным увеличением разрешающей способности. Указана перспектива развития метода при построении цифровых измерительных устройств на переменном токе. The method of decrease of differential and integral nonlinearities of digital-to-analog conversion with simultaneous increase of resolution is proposed. The perspective of development of the method in constructing digital measuring devices in alternating current is shown. 2005 Article Метод цифро-аналогового преобразования. / И.Г. Кирющенко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 477-483. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57032 681.5 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Разработка новых средств и методов контроля морской среды Разработка новых средств и методов контроля морской среды
spellingShingle	Разработка новых средств и методов контроля морской среды Разработка новых средств и методов контроля морской среды Кирющенко, И.Г. Метод цифро-аналогового преобразования Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description	Предложен метод уменьшения не только дифференциальной нелинейности цифро-аналогового преобразования, но и интегральной с одновременным увеличением разрешающей способности. Указана перспектива развития метода при построении цифровых измерительных устройств на переменном токе.
format	Article
author	Кирющенко, И.Г.
author_facet	Кирющенко, И.Г.
author_sort	Кирющенко, И.Г.
title	Метод цифро-аналогового преобразования
title_short	Метод цифро-аналогового преобразования
title_full	Метод цифро-аналогового преобразования
title_fullStr	Метод цифро-аналогового преобразования
title_full_unstemmed	Метод цифро-аналогового преобразования
title_sort	метод цифро-аналогового преобразования
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Разработка новых средств и методов контроля морской среды
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57032
citation_txt	Метод цифро-аналогового преобразования. / И.Г. Кирющенко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 477-483. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv	AT kirûŝenkoig metodcifroanalogovogopreobrazovaniâ
first_indexed	2025-07-05T08:19:45Z
last_indexed	2025-07-05T08:19:45Z
_version_	1836794339668262912
fulltext	477 УДК 681 .5 И.Г.Кирющенко Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь МЕТОД ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Предложен метод уменьшения не только дифференциальной нелинейности цифро-аналогового преобразования, но и интегральной с одновременным увеличе- нием разрешающей способности. Указана перспектива развития метода при по- строении цифровых измерительных устройств на переменном токе. Среди проблем, стоящих перед океанологами, одной из основных являет- ся повышение эффективности исследований с помощью океанографических измерительных комплексов. Ввиду того, что оперативное получение полез- ной информации в них извлекается в процессе обработки принимаемых сиг- налов, путь решения указанной проблемы заключается в дальнейшем совер- шенствовании методов обработки сигналов. Например, повышение чувстви- тельности при помощи широтно-имульсной модуляции «текущего кванта» в цепи обратной связи АЦП канала сульфидов до 10-3 от всего диапазона изме- рения (вместо 1,5⋅10-2 в ранее существовавшем индикаторном канале) позво- лило в 33-ем рейсе НИС «Проф. Колесников» обнаружить аномальное рас- пределение сероводорода по глубине по сравнению с ранее известным [1]. Следуя основным требованиям к гидрофизической аппаратуре согласно оценке точности измерений гидрологических элементов [2], одним из важ- нейших параметров преобразования является степень нелинейности функ- ции преобразования. Интегральная нелинейность приводит к увеличению степени градуиро- вочного полинома, что снижает быстродействие преобразования и, в ре- зультате, увеличивает динамические составляющие погрешности измерите- ля в режиме реального масштаба времени. Дифференциальная погрешность приводит к уменьшению монотонно- сти функции преобразования, что может привести к потере информации. Последнему достижению в области уменьшения нелинейности цифро- аналогового преобразования (ЦАП) до уровня исключения немонотонности посвящена [3], где изложен метод модуляции «текущего кванта» применяе- мого ЦАП, а реализация этого метода в цепи обратной связи АЦП позволи- ла получить дополнительный эффект – увеличение быстродействия преоб- разования сигнала в цифровой код [4]. В [3] показано, что, не смотря на исключение немонотонности характе- ристики за счет исключения погрешности от нестыковки «грубого» и «плавного» диапазонов, остается неизменной интегральная нелинейность, обусловленная неодинаковостью «грубых» дискретов, соответствующих старшим k разрядам используемого ЦАП. Этот момент проиллюстрирован на рис.1, где изображена ступенчатая кривая, соответствующая характери- стике преобразования ЦАП при использовании указанного метода. Кроме того, анализ метода преобразования, изложенного в [3], показал, что макси- © И .Г .Кирющенко , 2005 478 мальное число, которое можно преобразовать в аналоговый сигнал, равно: Nmax = (2n – 1) – (2m – 1) = 2n – 2m, (1) где n – количество разрядов ЦАП, построенного по выше указанному мето- ду; m – количество младших разрядов, полученных в процессе широтно- импульсной модуляции «грубого» дискрета, соответствующего младшему кванту используемого k-разрядного ЦАП. Это объясняется тем, что при использовании метода ЦАП, изложенного в [3], при числе из k разрядов, равного максимуму, и числе из m разрядов, равного нулю, дальнейшее возрастание кода исключено, т.к. шаги кванто- вания используемого ЦАП закончились, и подвергать широтно-импульсной модуляции больше нечего. Причем, чем больше стремление увеличить та- кой важный параметр, как разрешающую способность преобразования, тем больше потеря входного диапазона. Цель данной работы – предложить метод, позволяющий наряду с ис- ключением немонотонности характеристики преобразования уменьшить и интегральную нелинейность. Суть метода состоит в том, что широтно-импульсной модуляции под- вергают часть диапазона, определяемого максимально выбранным значени- ем выходного сигнала используемого k-разрядного ЦАП. Причем ширину импульса, амплитуда которого определяется максимальным значением это- го сигнала, изменяют во времени пропорционально коду, определяемому m дополнительными разрядами, позволяющему достичь необходимой разре- шающей способности. Ввиду того, что модуляции подвергают максималь- ное значение выходного сигнала, дополнительные m разрядов являются Р и с . 1 .Функция преобразования ЦАП при использовании метода мо- дуляции «текущего кванта». 479 старшими разрядами n-разрядного входного кода по сравнению с m разря- дами, выполненными по методу, опубликованному ранее. Полученный в процессе широтно-импульсной модуляции импульс располагают в границах периода усреднения выходного сигнала Тц в интервале времени, равном Тц (1 – 2-m), а часть выходного сигнала используемого ЦАП, соответствую- щую k остальным разрядам входного кода, получают кратковременно в виде импульса постоянной длительности, равной Тц⋅2-m, и располагают на сво- бодном интервале времени в границах периода усреднения Тц. Поясним предложенный метод цифро-аналогового преобразования, ис- пользуя рис.2, на которой приведена функция преобразования ЦАП до ус- реднения выходного сигнала, у которой координаты времени и входного кода совмещены по оси абсцисс. Пусть количество дополнительных разрядов m = 3, количество разрядов k = 4 и число N, определяемое входным n-разрядным кодом, равно от 1 до 15, тогда амплитуда импульса выходного сигнала ЦАП на промежутке вре- мени, равном Tц/8, будет равна текущему шагу квантования используемого ЦАП, умноженному на число, равное соответственно от 1 до 15. Пусть число N, определяемое входным кодом, равно 16, тогда амплиту- да импульса выходного сигнала ЦАП будет равна Umax на промежутке вре- мени равном Tц/8, но не совпадающим во времени с выходным сигналом, определяемым k разрядами используемого ЦАП, длительность которого в этом случае тоже равна Tц /8. Пусть число N, определяемое входным кодом, равно 27, тогда амплиту- да импульса выходного сигнала ЦАП, равная Umax, займет промежуток вре- мени 3Tц/8; амплитуда импульса выходного сигнала ЦАП, определяемая k разрядами на интервале времени Tц/8 за период осреднения Тц, будет 3∆Uцап i. Из рис.2 видно, что при дальнейшем изменении входного кода среднее значение сигнала на выходе используемого ЦАП за время Тц, определяемое Р и с . 2 .Функция преобразования ЦАП до усреднения выходного сигнала. 480 , 2 2222 11 max maxmax 1 вхвхkm m ц k вх m ц k вх ц t t цап ц цап NUN U T U N U TN T tU T U i i ′∆=⋅= =      ⋅⋅      +⋅⋅   =∂= + ∫ + циклом формирования одного значения, в любой точке диапазона для иде- ального делителя может быть определено из следующего выражения: (2) где       k вхN 2 – целая часть дроби, не превосходящая k вхN 2 ;       k вхN 2 – ее остаток. Если теперь учесть, что вес одного младшего разряда ЦАП с усредне- нием выходного сигнала ∆U′ равен Umax/2 n, то можно сделать вывод, что предложенный способ ЦАП сохраняет основное достоинство прототипа: повышать разрешающую способность простым увеличением дополнитель- ных разрядов m. Пусть дифференциальная нелинейность реального используемого ЦАП равна дл.δ ′ , тогда, согласно выражению (2), реальный шаг квантования в любой точке диапазона преобразования может быть определен так: (3) где цапU∆ – номинальное значение шага квантования используемого k раз- рядного ЦАП, равное kU 2max ; m длдл 2.... δδ ′= – полученная дифферен- циальная нелинейность, а это свидетельствует об уменьшении дифференци- альной нелинейности, вызванной неодинаковостью реальных шагов кванто- вания используемого ЦАП, в отличие от иллюстрированного на рис.1, где эта неодинаковость приводит к изломам характеристики преобразования, приводящие к отклонениям от номинальной до нескольких младших кван- тов, что, в свою очередь, добавляет проблем при аппроксимации характери- стики преобразования с изломами. Докажем уменьшение интегральной нелинейности при использовании предложенного метода ЦАП. Пусть наибольшая интегральная нелинейность в используемом ЦАП имеет место при вхвх NN ′= , тогда ее величина лδ ′ при значении вхN ′ будет присутствовать в выражении в виде: (4) После применения предложенного метода выражение для выходного сигнала можно записать так: (5) Первый интеграл из суммы (5) уже вычисляли в (2), только в последнем случае вхвх NN ′= . Второй же интеграл суммы (5) вычислим, используя .. .. 2 длm длцап U U U δ δ +′∆= ′+∆ =∆ лцапцап UU δ ′+=′ t T tU T tU T U i i i i i i t t л t t ц цап ц t t цап ц цап ∂′+∂=∂′= ∫∫∫ +++ 111 111 δ 481 свойство определенного интеграла, разбив его на три интеграла (см. рис 2). (6) Т.к. площадь фигуры на интервале времени от ti до         ⋅      ′ +−+ m ц k вх m ц i TNT t 222 1 равна 0, то и первый интеграл суммы (6) равен 0. На интервале времени         ⋅     +−+ m ц k вх m ц i TNT t 222 1 до m ц i T t 2 1 −+ площадь фигуры не равна нулю, однако на этом промежутке времени происходит процесс получения крупных дискретов. В этом случае в процессе широтно- импульсной модуляции вырабатываются точные порции энергии, которые усредняются, а разницу между крупными дискретами, определяемыми m дополнительными разрядами ЦАП с усреднением выходного сигнала, будет равна нулю во всем диапазоне изменения Nвх. Если теперь между вершина- ми этих дискретов провести линию, то увидим, что эта прямая, отклонений от которой нет, а значит и интегральная нелинейность, как отклонение ха- рактеристики преобразования от идеальной прямой, равна нулю. Т.о. и вто- рой интеграл суммы (6) равен нулю. Вышесказанное проиллюстрировано на рис.3, где изображена характеристика преобразования. Здесь толстой лини- ей показаны «грубые» дискреты, соответствующие дополнительным m раз- рядам, а тонкой линией – «плавные» дискреты, соответствующие используе- мым k разрядам ЦАП при измене- нии входного кода от 0 до какого- то промежуточного значения. Интегральная нелинейность, присущая используемому ЦАП, лδ ′ начинает проявляться там, где изменение выходного сигнала обуславливается изменением кода из k младших разрядов, т.е. на промежутке времени от m ц i T t 2 1 −+ до ti+1 . Вот теперь интегральную нелинейность δл можно вычис- лить, используя последнее выра- жение суммы (6), подставив пре- делы определенного интеграла: ∫∫ ∫∫ + + + + + + − −         ⋅      ′ +−         ⋅      ′ +− ∂′+∂′+ +∂′=∂′= 1 1 1 1 1 1 2 2 222 222 11 11 i m ц i m ц i m ц k вх m ц i m ц k вх m ц i i i i t T t л T t TNT t ц л ц TNT t t л t t ц л ц л t T t T t T t T δδ δδδ Р и с . 3 .Функция преобразования ЦАП с использованием предложенного ме- тода (тонкая линия). 482 (7) Полученное выражение свидетельствует о том, что предложенный ме- тод ЦАП уменьшает интегральную нелинейность, обусловленную неравно- мерностью дискретов используемого ЦАП в 2m раз по сравнению с [3]. Ввиду того, что предложенный метод ЦАП всегда предоставляет теку- щий «грубый» дискрет для квантования во всем диапазоне преобразования входного кода, максимальное входное число, которое можно преобразовать в аналоговый сигнал, равно: (8) Таким образом, предлагаемый метод цифро-аналогового преобразова- ния позволяет использовать весь диапазон чисел, определяемых входным кодом. Описанный в работе метод позволил полностью решить поставленную задачу – уменьшить так же, как и дифференциальную нелинейность, инте- гральную нелинейность характеристики преобразования в 2m раз, сохраняя возможность повышать разрешающую способность простым увеличением дополнительных разрядов m, что позволяет применить его для построения прецизионных цифровых измерительных систем в океанографических ис- следованиях. Кроме того, использование временной области, подвергая временно- импульсной модуляции максимальное значение выходного сигнала исполь- зуемого ЦАП, делает метод близким к широко распространенному ∆-σ- преобразованию, но с существенным отличием – во временной области по- лучают лишь 2m квантов, остальные 2К в координате преобразуемого сигна- ла, что быстрее, чем при использовании временной области для получения всех 2n – 1 квантов. Так же, как и в [3] можно показать, что предложенный метод можно использовать и при построении измерительных цифровых устройств, в ко- торых ЦАП работает на переменном токе. Пусть на интервале усреднения Тц укладывается 2m периодов Т сину- соидального напряжения питающего ЦАП, т.е. m цТТ 2/= . На рис.4 для случая m = 3 проиллюстрирована форма выходного сигнала используемого ЦАП при питании его переменным током. Из рисунка видно, что модуляция переменного сигнала происходит в двух временных областях. На участке ( ) max1 12 UUТТ ЦАП m ц && =−= , а ширина импульса определяется значением m ц k вх ТN 22 ⋅    . На участке m цТТ 2/= амплитуда выходного сигнала ЦАП оп- ределяется остатком дроби k вхN 2 и равна ' max2 nk вх U N δ&& +       . Далее выходной сигнал ЦАП формируют в соответствии с выражением (2). m л m ц л л i ц л i ц л л ц л T T t T t T t T 22 1 11 δδδδδδ ′ =       ⋅ ′ −⋅ ′ −⋅ ′ =∂′= ++∫ 12max −= nN 483 Появление современных коммутационных средств, например, таких как в тех же ∆-σ-преобразователях, в которых модулируют эталонный сигнал с частотами более единиц и десятков мегагерц, открывают перспективы при- менения предложенного метода. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Забурдаев В.И., Бузанов Б.В., Кирющенко И.Г., Иванов А.Ф., Клидзио А.Н., Не- чесин Е.Г., Присекин В.А. К вопросу методики выполнения высокоточных из- мерений гидрологических и гидрохимических элементов морской воды СТД- зондом ИСТОК-7 // Морское и экологическое приборостроение. Междунар. на- учно-техн. семинар.– Севастополь: МГИ НАНУ, 1995.– С.57-59. 2. Забурдаев В.И. Оценка точности измерений гидрологических элементов и точ- ности навигации при исследовании установившейся циркуляции на основе гео- строфического соотношения // Системы контроля окружающей среды.– Сева- стополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 1998.– С.49-55. 3. Кирющенко И.Г. Способ повышения точности многошкальных цифро-аналого- вых преобразователей // Системы контроля окружающей среды.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2001.– С.172-178. 4. Кірющенко І.Г. Аналого-цифровий перетворювач. Патент України № 50868. Опубл 15.02.2002 г. Бюл. № 11. Материал поступил в редакцию 22 .02 .2005 г . 11π maxU& m ц к вх ТN 22 ⋅      m цT 2 ( )121 −= m цTT ЦT 2T t лk вх U N δ&& +       max 2 1π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π Р и с . 4 .Работа ЦАП на переменном токе.

Метод цифро-аналогового преобразования

Репозитарії

Схожі ресурси