Известным методом реализации интегрирующих АЦП (ИАЦП) с необходимыми частотными свойствами является метод весового интегрирования[1].Из множества возможных классов весовых функций (ВФ) – ступенчатых (одно- и многоуровневых) и непрерывных (например, тригонометрических и кусочно-полиномиальных) – технически наиболее просто и точно реализуются ступенчатые ВФ (СВФ), что и обусловило их преимущественное применение в интегрирующих цифровых средствах измерения.Например, применение весовых функций (ВФ) вида «1», «1 2 1», «1 3 3 1» и т.д., то есть простого суммирования ряда последовательных дискретных значений скользящего интеграла от входной величины с указанными весовыми коэффициентами, позволяет повысить подавление переменных составляющих входного сигнала до уровней порядка 30, 50 и 90 дБ соответственно [1].
Применение метода весового интегрирования в ИАЦП наиболее перспективно в области синтеза прецизионных интеллектуальных датчиков (ИД) – устройств, объединяющих в единое целое датчик физической величины, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и устройство сопряжения с каналом связи. Использование ИД позволяет повысить метрологические характеристики информационно-измерительных систем за счет ликвидации протяженных линий связи между датчиком и АЦП, уменьшить нагрузку на каналы связи и высвободить вычислительные ресурсы за счет выполнения микропроцессором операций, связанных с калибровкой и учетом влияния параметров внешней среды на характеристики ИД [2].
Адаптация ИД к различным требованиям по критерию «точность-быстродействие» реализуется простым изменением времени преобразования. Другими словами, повышение точности в 2 раза, как правило, приводит к снижению быстродействия во столько же раз.Более эффективное управление данным критерием («точность-быстродействие»), возможно за счет использования в канале преобразования весового интегрирования. Такое решение является особенно привлекательным, в условиях всегдасуществующей ограниченности вычислительных ресурсов, систем телеметрического контроля ракетно-космической техники [2].
Построение эффективной подсистемы аналого-цифрового преобразования является нетривиальной задачей. Жизненный цикл разработки и контроля подсистемы подразумевает итерационное проведение процедур математического моделирования, имитационного моделирования, натурных экспериментов.
Аппарат весового интегрирования на сегодняшний день хорошо развит в теории, однако,при практической его реализации, возникают определенные трудности, связанные с ограниченностью характеристик элементной базы [3]. Очевидно, что для достижения максимального подавление шумов необходима точная реализации весовых коэффициентов. Классические схемные решения операционных усилителей или их современные модификации не обеспечивают стабильность коэффициента передачи на уровне 20 двоичных разрядов[4, 5]. Проведенный анализ показал, что на данном уровне технологии изготовления операционных усилителей их параметры существенно меняются в зависимости от знака коэффициента передачи, значения входной величины и схемы включения [3].
Таким образом, в процессе формирования заданной АФХ канала аналого-цифрового преобразования с помощью ВФ, необходимо решать задачусовершенствования математических моделей на основе данных имитационного моделирования, а также задачу верификации инструментов моделирования. Верификация инструментов моделирования проводиться путем сопоставления получаемых результатов для известных компонентов с теоретическими данными и результатами натурных экспериментов для этих же компонентов.
В настоящее время на рынке отсутствуют широкодоступные программно-технические средствасинтеза и анализа весовых функций для каналов ИАЦП. Данные средства должны предоставлять пользователям инструменты математического моделирования, имитационного моделирования, а также инструменты быстрого переноса получаемых решений на макетные испытательные стенды. Первым компонентом подобной программно-технической системы являются программные средства математического моделирования.
Для разработки первого компонента программно-технической системы был выбран пакет математического моделирования MathWorksMATLAB.MATLAB, как высокоуровневый язык технических расчетов и интерактивная среда разработки алгоритмов, по сравнению с традиционными языками программирования (C/C++, Java, Pascal, FORTRAN) позволяет на порядок сократить время решения типовых задач и значительно упрощает разработку новых алгоритмов.
Так как в настоящее время разработано большое число различных видов ВФ с различными свойствами, было решено на первом этапе ограничить набор ВФ разрабатываемой программы СВФ.Данный выборобусловлен тем, что СВФнаиболееперспективныдля реализации в канале аналого-цифрового преобразования интегрирующего типа [1].
Пользовательский интерфейс разработанной программы представлен на рисунке 1. При его проектировании преследовалась цель обеспечения простоты и наглядности для обычного пользователя. Задание параметров расчета ВФ и последующее их построение может осуществляться двумя способами (окна ввода данных представлены на рисунке 2). Ручной ввод предусматривает указание пользователем значений для подсчета ВФ, а мастер ввод предоставляет пользователю возможность выбора ограниченного числа типовых значений.
Рисунок 1 - Интерфейс программы.
Рисунок 2 –Окна ввода параметров расчета.
Метод весового интегрирования управляет работой преобразователя во временной области – необходимые веса и их длительности, задаются во времени. Однако результат их применения наиболее удобно наблюдать в частотной области. Поэтому в разработанной программе реализованы две системы координат (рисунок 3) в которых осуществляется одновременное построение графиков характеризующих одну и ту же ВФ в различных областях.Таким образом, был разработан программный продукт предоставляющий пользователю удобный инструмент проектирования ВФ во временной области, с анализом результатов в частотной области.
Литература:
Э.К. Шахов, В.Д. Михотин.Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. – М.: «Энергоатомиздат», 1986г. - 144 с.
В.А. Юрманов, К.Ю. Пискаев, М.В. Тюрин. Повышение точности интеллектуальных датчиков в составе систем мониторинга технически сложных объектов.// XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. Сер. Технические науки. – Пенза: ПГТА, 2011г. – № 04(04) – с. 107-116.
А.В. Куц, К.Ю. Пискаев, В.А. Юрманов. Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП. // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Выпуск 5. Изд-во: ОАО «ЦНИ «Электроника», Москва, 2010г. С. 157-165.
Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. - 528 с.
