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