Міністерство загальної та професійної освіти

Російської Федерації

Новгородський державний університет ім. Ярослава Мудрого

------------------------------

Кафедра фізики твердого тіла і мікроелектроніки

Контроль динамічних параметрів ЦАП

Реферат з дисципліни

"Випробування виробів електронної техніки"

Виконав

Студент гр.4031

Ізбачков Ю.С.

Перевірив

Доцент каф. ФТТіМ

Крутяк Л.М.

Новгород

1999

Введення

Цифро-аналогові і аналого - цифрові перетворювачі АЦП знаходять
. широке застосування в різних галузях сучасної науки і техніки. Вониє невід'ємною складовою частиною цифрових вимірювальних приладів,систем перетворення і відображення інформації, програмованих джерелхарчування, індикаторів на електронно-променевих трубках, радіолокаційнихсистем, установок для контролю елементів і мікросхем, а також важливимикомпонентами різних автоматичних систем контролю та управління,пристроїв введення-виведення інформації ЕОМ.

У даній роботі розглядаються основні методи контролю динамічнихпараметрів ЦАП.
Динамічні властивості ЦАП характеризуються часом встановлення
(перетворення), яке є найбільш складно контрольованим і важкопіддається автоматизації параметром швидкодіючих багаторозрядних ЦАП.

Це пояснюється необхідністю поєднання високої швидкодіївимірника часу встановлення з його високою роздільною здатністю поамплітуді (такий же, як і при контролі статичних параметрів) длязабезпечення фіксації моменту досягнення вихідним сигналом ЦАП номінальногозначення з похибкою ± '/ 2 значення молодшого розряду. Крім того,обмежена смуга пропускання вимірювального тракту та теплові ефекти впоєднанні з неминучим присутністю шуму можуть вносити значнуневизначеність у вимір. Завдання можна істотно спростити, якщоусталене значення вихідного сигналу контрольованого перетворювачапоєднати з нульовим рівнем і аналізувати перехідний процес поблизунульового потенціалу. Це відноситься і до схем, які використовують в якостііндикатора осцилограф. Розглянемо кілька можливих варіантів схемпристроїв контролю часу встановлення ЦАП з осцилографічнііндикатором, що знайшли застосування в малосерійному та дослідному виробництві, улабораторних дослідженнях.

Рисунок 1 - Схема пристрої контролю часу встановлення ЦАП зкомпенсацією усталеного значення його вихідного сигналу

Одна з таких схем показана на малюнку 1. Прямокутний еталоннийсигнал, синхронний з прямокутним сигналом цифрового входу ЦАП, але незбігається по фазі з вихідним сигналом ЦАП, підсумовується з останнім.
Амплітуда еталонного прямокутного сигналу Uе регулюється для точногозбіги з амплітудою Uп.ш виходу ЦАП після закінчення перехідних процесів.
Це забезпечує спостереження перехідного процесу на екрані осцилографащодо нульового рівня. Фіксуючі діоди обмежують відхиленнянапруги в період перехідних процесів, що істотно зменшує часвідновлення перевантаження осцилографа. При перемиканні цифрового входумолодшого розряду з положення «динамічний» в стан логічної «1» абологічного «0» на екрані осцилографа будуть спостерігатися імпульси зчастотою генератора і амплітудою, що дорівнює значенню молодшого розряду? ЦАПщодо нульового рівня. При цьому час встановлення визначається якчас, необхідний для того, щоб напруга відхилення від нульового рівняне перевищувало (± '/ 2)?. Якщо потрібно виміряти тільки час встановленнянапруги повної шкали, то напруга еталонного прямокутного сигналу Uена вхід осцилографа не подається, що спрощує процес вимірювання за допомогоюпристрою, наведеного на малюнку 1.

Малюнок 2 - Схема пристрої контролю часу встановлення ЦАП при
«Головному перенесення»

Як зазначалося, якщо ЦАП працює в режимі стеження (зі зміною суміжнихкодових комбінацій), то його час встановлення має більше значення, ніжчас встановлення повної шкали. При цьому найбільший перехідний процесспостерігається у випадку «головного перенесення», коли всі розряди змінюють своєстан (цифрове число змінюється від 0111 ... 1 до 1000 ... О абонавпаки). Процес ж вимірювання часу встановлення при зміні суміжнихкодових комбінацій на цифрових входах ЦАП істотно спрощується, оскількипри цьому усталені значення вихідного сигналу ЦАП для суміжних кодіввідрізняються на значення молодшого розряду.

На малюнку 2 показана схема пристрою контролю часу встановлення
ЦАП при кодової комбінації головного переносу. Всі розряди ЦАП, крімстаршого, порушуються паралельно з допомогою генератора Г прямокутнихімпульсів. Цей же сигнал після інвертора Ін подається на старший розряд,викликаючи його включення в момент виключення всіх інших розрядів. Вихіднийсигнал ЦАП при цьому є прямокутним сигнал з амплітудою?щодо рівень, який дорівнює половині повної шкали. Вихід ЦАП пов'язаний звходом осцилографа тільки по змінному струму, і постійна складовавихідного сигналу ЦАП на вхід осцилографа не надходить. Перехідний процесв цьому випадку можна спостерігати при великій чутливості осцилографа поамплітуді.

Час перехідного процесу ЦАП великий розрядності можна визначити зависоким ступенем точності, оскільки практично усуваються перевантаженнявхідного підсилювача осцилографа або компаратора, обумовлені великимперепадом сигналу на виході контрольованого ЦАП. Однак продуктивністьосцилографічні методів вимірювання невисока. Крім того, цим методамвластиві похибки суб'єктивного характеру, що не дозволяє використовуватиїх для серійного виробництва перетворювачів.

Малюнок 3 - Схема пристрої контролю часу встановлення ЦАП зструминним виходом на тунельний діод

Розглянемо можливі варіанти побудови повністю автоматизованихвимірювачів часу встановлення ЦАП, що володіють значно великимшвидкодією і достовірністю контролю. На малюнку 3 наведена схемапристрої контролю часу встановлення ЦАП з струминним виходом, де вяк дискримінатор амплітуди вихідного сигналу ЦАП застосований тунельнийдіод. У пристрої використовується стробоскопічний метод вимірювання.

Формовані з частотою генератора Г перепади (від нуля досталого рівня) вихідного сигналу ЦАП потрапляють па дискримінаторрівня Д, який аналізує поточний (миттєве) значення вихідногосигналу перетворювача.

Аналіз процесу починають з ділянки свідомо усталеногоперехідного процесу, і аналізовану точку характеристики поступовопереміщують з тимчасової осі до початку перехідного процесу, тобто праворучліворуч (малюнок 4). Момент t1 перевищення допустимого значення відхилення відсталого рівня струму Iуст фіксують дискримінатор рівня. Потімвимірюють часовий відрізок від початку досліджуваного перехідного процесу дозафіксованого дискримінатор моменту часу, який і визначаєчас встановлення Iycт вихідного сигналу ЦАП.

Малюнок 4 - Характер перехідного процесу вихідного сигналу ЦАП

Пристрій працює таким чином. Вихідні імпульси генератора Гнадходять на вхід схеми зсуву СС стробірующіх імпульсів і одночасночерез багатоканальний комутатор - на цифрові входи контрольованого ЦАП, наяких він забезпечує формування необхідної комбінації сигналів.
Досліджуваний вихідний сигнал ЦАП подається на перший вхід схеми порівняння
(дискримінатор Д), виконаної на тунельний діод, на другий вхід якоїподаються стробірующіе імпульси від генератора ГСИ, зрушуваної з тимчасовоїосі щодо досліджуваного сигналу за допомогою схеми СС. Рівеньспрацьовування схеми порівняння, що працює в режимі одновібратора,досягається в моменти приходу стробірующіх імпульсів внаслідокпідсумовування на тунельний діод струму контрольованого вихідного сигналу
ЦАП, стробірующего імпульсу і струму зміщення, який формується за допомогоюдодаткового ЦАП, керованого вихідним кодом пристрої управління УУ.

формується струм зміщення відповідає сталому значеннювихідного сигналу контрольованого ЦАП. Кожну аналізовану точкуперехідного процесу стробіруют п разів з частотою f 2 генератора Г. У мірунаближення вихідного струму контрольованого ЦАП до струму зміщеннядодаткового ЦАП частота спрацьовування f1 дискримінатор Д на тунельномудіоді зростає. Відношення частот f1/f2 аналізують пристроєм управління
УУ. Якщо воно знаходиться в допустимих межах заданого значення, тостробірующій. імпульс переміщують до початку перехідного процесу та аналізнаступних точок перехідного процесу повторюють до моменту, коли ставленнячастот f1/f2 перевищить задане (остання визначається допустимимвідхиленням вихідного струму контрольованого ЦАП від усталеного значення,а також характером шумовий перешкоди на тунельний діод і видом залежностічастоти спрацьовування схеми порівняння від струму зсуву). Після цьогопереміщення стробірующего імпульсу припиняють і вимірюють часовий відрізокміж фронтами імпульсів генератора і стробірующіх імпульсів ГСИ. Слід,однак, відзначити, що внаслідок великого рівня шумів, тимчасовою ітемпературної нестабільності параметрів тунельного діода дана схемазабезпечує контроль ЦАП з розрядністю не більше 8-9.

На малюнках 5 і 6 зображено схему та часові діаграми роботивимірника часу встановлення ЦАП, який забезпечує дослідженнявихідного сигналу ЦАП більш високої розрядності. Це досягається в основномузмішанням вихідного сигналу по амплітуді до збігу його усталеногозначення з нульовим рівнем. Тим самим забезпечується робота дискримінаторрівня поблизу нульового потенціалу, що дозволяє використовуватидискримінатор з високою роздільною здатністю за амплітудою.

Пристрій реалізує також стробоскопічний метод вимірювання. Привизначенні tуст фактично вирішують дві самостійні завдання:

1) виділення тимчасового інтервалу, пропорційного тривалостівимірюваного часу встановлення;

2) перетворення виділеного інтервалу у форму, зручну дляобробки.

Рисунок 5 - Схема автоматичного вимірника часу встановлення ЦАП

Малюнок 6 - Часові діаграми роботи автоматичного вимірникачасу встановлення ЦАП

Принцип виділення тимчасового інтервалу аналогічний розглянутому.
Виберіть вартість перехідного процесу контрольованого ЦАП суміщаютьз нульовим рівнем за допомогою підсумовує підсилювача СУ, ключа К іінтегратора І.

У якості пристроїв порівняння використовуються стробіруемие компараторинапруги KH1 і KH2, що спільно зі схемою АБО, лічильниками імпульсів
Сч1 і Сч2, тригером Т1, схемою заборони С і формувачів пороговогонапруги ФПН переміщують стробірующій імпульс з тимчасової осі до початкуперехідного процесу. Тригер Т2 і перетворювач середніх значеньнапруги прямокутних імпульсів ПСП забезпечують перетвореннявиділеного тимчасового інтервалу tуст в пропорційне напругапостійного струму.

Схема працює таким чином. У початковому стані генератор Гзагальмований і на одному з його виходів є напруга, відповіднелогічної «1» цифрових входів контрольованого ЦАП, а на іншому --логічного «0». Багатоканальний комутатор дозволяє сформуватидовільну комбінацію вхідного впливу на цифрові входи,відповідну будь-якій точці характеристики контрольованого ЦАП, щозабезпечує контроль часу встановлення в будь-якій точці характеристики ЦАПі за будь-яких суміжних кодових комбінаціях.

Так, наприклад, якщо необхідно виміряти час встановлення повноїшкали ЦАП, то його цифрові входи підключають до виходу генератора Г знапругою, відповідним логічної «1».

Якщо потрібно визначити час встановлення ЦАП при включенні,наприклад, всіх розрядів, крім старшого, цифровий вхід останньогопідключають на весь час вимірювання до шини, яка формує напругулогічного «0», входи інших розрядів - до виходу генератора знапругою логічної «1».

У разі вимірювання часу встановлення при зміні суміжних кодовихкомбінацій, наприклад при зміні коду 011 ... 1 на 100 ... 0, у вихідномустані цифровий вхід старшого розряду підключають до виходу генератора знапругою логічного «0», входи інших розрядів - до виходу генератораз напругою логічної «1». Отже, у початковому стані вихіднийсигнал ЦАП відповідає його сталому значенню в перевіряється точціхарактеристики.

Потім замикають ключ К.. При цьому вихідний сигнал ЦАП, вступаючи на вхідінтегратора І після його проходження через що підсумовує підсилювач СУ,змінює значення вихідної напруги СУ таким чином, що результуючийсигнал на виході підсилювача починає зменшуватися.

Після закінчення перехідного процесу усталене значення вихідноїсигналу ЦАП повністю компенсується вихідним сигналом інтегратора і навиході підсилювача встановлюється напруга, близьке до нуля і рівнезсуву нуля інтегратора І. Потім ключ До розмикають і запускають генератор
Г, забезпечує періодичну (з певною частотою) зміну кодовоїкомбінації на цифрових входах ЦАП. При цьому відбувається періодичнезміна з частотою генератора вихідного сигналу ЦАП (малюнок 6 б).
Оскільки в початковому стані усталене значення вихідного сигналу
ЦАП було скомпенсовано вихідним сигналом інтегратора (і сигналкомпенсації після розмикання ключа підтримувався інтегратором постійним),то перехідний процес вихідного сигналу ЦАП (на виході підсумовуєпідсилювача) незалежно від обраної контрольованої точки і нахилухарактеристики ЦАП буде розташовуватися щодо нульового рівня. Цедозволяє при необхідності додатково підсилити різницевий сигнал поблизуусталеного значення і тим самим значно підвищити чутливістьі роздільну здатність пристрою.

Вихідний сигнал підсилювача подається на входи компараторів напруги
КН1 і КН2, один з яких (з урахуванням коефіцієнта посилення СУ) має порігспрацювання, що перевищує 0,5?, а інший - (-1/2)?. Частоту генератору Гвибирають таким чином, щоб тривалість його імпульсів Т/2 (малюнок 6а),формують кодову комбінацію на цифрових входах ЦАП, перевищуваламаксимально можливий час встановлення.

Перехідний процес досліджують шляхом стробування компараторів, починаючиз моменту часу ti, явно перевищує час встановлення, тапереміщення стробірующего імпульсу з тимчасової осі до початку перехідногопроцесу, тобто справа наліво до моменту спрацьовування одного зкомпараторів у разі відхилення контрольованого сигналу від усталеногозначення більш ніж на (± 1/2)?.

Розглянемо формування і переміщення стробірующего імпульсу. Переднійфронт імпульсу генератора Г, що співпадає з початком перехідного процесу,здійснює запуск генератора пилоподібного напруги ДПН, зростаючийсигнал якого (малюнок 6б) надходить на один з входів дискримінаторрівнів Д. У момент перевищення пилоподібним сигналом значення, що надходитьна дискримінатор Д з формувача порогового напруги ФПН, дискримінаторспрацьовує і за допомогою ГСИ формує стробірующій імпульс.

крутизну вихідного сигналу ДПН і значення початкового напруги ФПНвибирають таким чином, щоб перший стробірующій імпульс був розташований наділянці свідомо усталеного перехідного процесу. Тому амплітуданапруги досліджуваного сигналу, що надходить на компаратори КН1 і КН2 вмомент стробірующего імпульсу, знаходиться в зоні (± 1/2)? і компаратори НЕспрацьовують. При цьому лічильник імпульсів Cч1 обнулено, а тригер T1 знаходитьсяу вихідному стані та забезпечує проходження імпульсів з виходу лічильника
Сч2 через схему заборони З на формувач порогового напруги ФПН.
Стробірующіе імпульси з частотою повторення перехідного процесу (зчастотою генератора Г) заповнюють попередньо обнулений лічильник Сч2. Принадходження n-го імпульсу відбувається переповнення цього лічильника. Імпульспереповнення через схему заборони З надходить на ФПН, зменшуючи пороговенапруга дискримінатор на? U. При крутизні 5 вихідної напруги ДПНце викликає переміщення моменту спрацьовування дискримінатор (tд1, tд2 і т.д.), а слідчийьно, і моменту формування стробірующего імпульсу допочатку перехідного процесу на величину:

? t = tд1 - tд2 =? U/S (1)

Після обнулення лічильника Сч2 досліджують характеристику в новій точціперехідного процесу. Якщо і в цій точці перехідний процес знаходиться взоні допуску, то після закінчення п повторень перехідних процесів зновувідбувається переповнення лічильника Сч2 і переміщення стробірующего імпульсуз тимчасової осі на? t до початку перехідного процесу. Переміщення будевідбуватися до тих пір, поки перехідний процес не наблизиться до кордонузони допуску (позитивного або від'ємного значення). При цьому взалежно від полярності відхилення досліджуваного сигналу відусталеного значення починає спрацьовувати один з компараторів KH1ілі
КН2, вихідні імпульси яких надходять на лічильник Сч1.

Якщо спрацьовування компараторів нестійке, нерегулярне і за nповторень перехідних процесів число спрацьовувань не перевищує n/2 (щоможливо при впливі на компаратори KH1, КН2 різних перешкод,накладаються на досліджуваний сигнал і особливо відчутних з наближеннямперехідного процесу до допустимих значень), то переповнення лічильника Сч1не відбувається і імпульс переповнення лічильника Сч2 після закінчення п повтореньперехідного процесу обнуляє лічильник Сч1 і знову переміщує стробірующійімпульс на? t, забезпечуючи стійке спрацьовування одного з компараторів.
Це є ознакою досягнення перехідним процесом межі зонидопустимих значень усталеного вихідної напруги ЦАП. У цьому випадкучисло спрацьовувань компараторів KH1 або KH2 до закінчення чергового циклуз n повторень перехідного процесу перевищує n/2, що призводить допереповнення лічильника Cч1, вихідний імпульс якого впливає натригер Т1, забороняючи за допомогою З проходження імпульсу переповненнялічильника Сч2 на ФПН. Після закінчення циклу імпульс переповнення лічильника Сч2,обнулити лічильник Сч1, не проходить на ФПН, що зберігає незмінним рівеньспрацьовування дискримінатор Д, а значить, і розташування стробірующегоімпульсу на тимчасовій осі. Перед початком чергового циклу скануванняперехідного процесу пристроєм управління УУ відбувається обнуліннялічильника Сч2 і нормалізація тригера Т1. При періодичному повторенніциклів сканування стійке спрацьовування компараторів KH1 або КН2забезпечує незмінне положення стробірующего імпульсу на тимчасової осі,момент появи якого і є моментом закінчення перехідногопроцесу досліджуваного сигналу.

Оскільки моменти запуску і нормалізації тригера Т2 визначаютьсявідповідно фронтом імпульсів генератора Г, що збігається з початкомперехідного процесу, і стробірующім імпульсом, періодичну появуякого збігається з моментом досягнення перехідним процесомусталеного значення, то тривалість повторюваних з частотоюгенератора вихідних імпульсів тригера Т2 наприкінці вимірювального циклудорівнює тривалості перехідного процесу досліджуваного сигналу (малюнок 6Е).
Загальна тривалість вихідних імпульсів тригера Т2 за допомогою перетворювачасередніх значень ПСП перетворюється на пропорційне напругапостійного струму, що фіксується, після закінчення вимірювального процесувідліковий-реєструючим пристроєм ОРУ. Оскільки частота генераторафіксована, При сталість амплітуди Umax імпульсів тригера Т2 вяк ПСП можна використовувати перетворювач середнього значенняімпульсного сигналу в пропорційне напругу постійного струму Ucp. Уцьому випадку його вихідна напруга Uвых однозначно визначає тривалістьперетворюються імпульсів, а отже, тривалість перехідного процесуtycт, тобто:

(2)

Час вимірювання tізм визначається обраним числом п вимірювань вкожній точці перехідного процесу і дискретним значенням? t:

(3)

Як випливає з розглянутої схеми, результуюча похибкавимірювання часу встановлення tуст визначається в основному роздільноїздатністю? Uк стробіруемих компараторів і обмеженістю смугипропускання вимірника, що приводить до спотворення перехідного процесу.
Відносна похибка? обумовлена величиною? Uк, залежить в своючергу від крутизни S досліджуваного сигналу U (t) в точці перетину зкордоном зони допустимих значень:

(4)

Це співвідношення показує, що похибка?, обумовленароздільною здатністю компараторів, значною мірою залежить відхарактеру перехідного процесу і зростає зі зменшенням похідноїдосліджуваного сигналу в момент закінчення перехідного процесу.

Вплив смуги пропускання схеми вимірювання проявляється в ослабленнівисокочастотних складових вихідного сигналу ЦАП, що призводить дозміні тривалості тимчасового інтервалу, що відповідає тривалостіперехідного процесу, а отже, до появи помилки перетворення.
При знаходженні смуги пропускання вимірювача необхідно враховуватимаксимально можливий спектр частот F аналізованого сигналу:

F = (1 ч 2)/т (5)

де т - тривалість відеоімпульсів.

Для неспотвореної передачі цих сигналів смуга частот вимірювачамає в 3-5 разів перевищувати значення F.

Розглянуті похибки визначають в основному результуючупохибка вимірювання, оскільки похибка вимірювання тимчасовогоінтервалу, відповідного часу встановлення, може бути простимисхемотехнічних засобами зведена до пренебрежимо малою величиною.

Список літератури

1. Вимірювання і контроль у мікроелектроніці: Навчальний посібник зспеціальностями електронної техніки/Дубовой Н.Д., Осокін В.І., Окулярів А.С.та ін; Під ред. А. А. Сазонова. - М.: Вища школа, 1984. - 367с.

2 Глудкін О.П., Черняєва В.Н. Технологія випробування мікроелементіврадіоелектронної апаратури та інтегральних мікросхем. - М.: Енергія, 1980.

3 Мікроелектроніка: Учеб. пособие для втузов. В 9 кн./Под ред.
Л. А. Коледова. Кн. 5. І. Я. Козир. Якість та надійність інтегральнихмікросхем. - М.: Вища школа, 1987. - 144 с.

4 Вимірювання параметрів цифрових інтегральних мікросхем/Д. Ю. Ейдукас,
Б. В. Орлов, Л. М. Попель та ін; Під ред. Д. Ю. Ейдукаса, Б. В. Орлова. - М.: Радіои связь, 1982.

5 Докучаєв Н.І., Козир І.Я. Онопко Д.І. Випробування та вимірюванняінтегральних мікросхем. - М.: Изд. MIET, 1978.

6 Докучаєв Н.І., Коледов Л.А. Елементи надійності та вимірюванняпараметрів інтегральних мікросхем. - М.: Изд. MIET, 1979.
-----------------------

Г

ІН

ЦАП

осцилограф

Цифрові входи

Старший розряд

УУ

І

К

КМ

Г

СУ

ЦАП

КН1

або

СЧ1

КН2

Т1

СЧ2

С

ФПН

Формування стробірующего імпульсу

обнулення

Т2

ПСП

ОРУ

СІ

Д

ДПН

0

запуск

обнулення

Заборона

строб