Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя

Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя

Проаналізовано проблеми побудови АЦ-систем для високолінійного прямого і зворотного перетворення аналогових сигналів, а також основні підходи до побудови АЦ-систем та виявлено їх переваги та недоліки. Запропоновано метод проектування перетворювачів форми інформації, в складі яких використовуються ЦА...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2017
Hauptverfasser: Азаров, А.Д., Гарнага, В.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2017
Schriftenreihe:Проблемы управления и информатики
Schlagworte:
Технические средства для измерений и управления
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208615
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя / А.Д. Азаров, В.А. Гарнага // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 6. — С. 115-123. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-208615
record_format dspace
spelling irk-123456789-2086152025-11-03T01:02:30Z Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя Багатоканальна аналого-цифрова система для реєстрації імпульсних низькочастотних сигналів на основі надлишкового цифро-аналогового перетворювача Multichannel analog-to-digital system for registration of pulse low frequency signals based on redundant digital-to-analog converter Азаров, А.Д. Гарнага, В.А. Технические средства для измерений и управления Проаналізовано проблеми побудови АЦ-систем для високолінійного прямого і зворотного перетворення аналогових сигналів, а також основні підходи до побудови АЦ-систем та виявлено їх переваги та недоліки. Запропоновано метод проектування перетворювачів форми інформації, в складі яких використовуються ЦАП з ваговою надлишковістю, що дозволяє створювати АЦ-системи без лазерного припасування параметрів елементів і при цьому мати високі статичні та динамічні характеристики. Наведено аналітичні співвідношення, що підтверджують перспективність запропонованих підходів, виконано комп'ютерне моделювання роботи ЦАП з активним фільтром на базі ППС, надано рекомендації щодо визначення оптимальних значень параметрів фільтра. The problems of construction of the AD systems with high linearity forward and reverse conversion of analog signals are considered. Such systems are widely exploited in various fields of science and technology. The article analyzes the main approaches to the construction of the AD systems and their advantages and drawbacks. There was offered a method of designing the forms of information converters, in which there are used as а part the DAC with weight redundancy that allows you to create the AD systems at low current element base and at the same time have high static and dynamic characteristics. There were offered the analytical ratios, confirming the prospects of the proposed approaches, carried out computer modeling of DAC with an active filter based on DCA, recommendations for the definition of the optimal values of the filter parameters. 2017 Article Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя / А.Д. Азаров, В.А. Гарнага // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 6. — С. 115-123. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208615 004.387 10.1615/JAutomatInfScien.v49.i12.40 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Технические средства для измерений и управления
Технические средства для измерений и управления
spellingShingle Технические средства для измерений и управления
Технические средства для измерений и управления
Азаров, А.Д.
Гарнага, В.А.
Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
Проблемы управления и информатики
description Проаналізовано проблеми побудови АЦ-систем для високолінійного прямого і зворотного перетворення аналогових сигналів, а також основні підходи до побудови АЦ-систем та виявлено їх переваги та недоліки. Запропоновано метод проектування перетворювачів форми інформації, в складі яких використовуються ЦАП з ваговою надлишковістю, що дозволяє створювати АЦ-системи без лазерного припасування параметрів елементів і при цьому мати високі статичні та динамічні характеристики. Наведено аналітичні співвідношення, що підтверджують перспективність запропонованих підходів, виконано комп'ютерне моделювання роботи ЦАП з активним фільтром на базі ППС, надано рекомендації щодо визначення оптимальних значень параметрів фільтра.
format Article
author Азаров, А.Д.
Гарнага, В.А.
author_facet Азаров, А.Д.
Гарнага, В.А.
author_sort Азаров, А.Д.
title Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
title_short Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
title_full Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
title_fullStr Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
title_full_unstemmed Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
title_sort многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate 2017
topic_facet Технические средства для измерений и управления
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208615
citation_txt Многоканальная аналого-цифровая система для регистрации импульсных низкочастотных сигналов на основе избыточного цифро-аналогового преобразователя / А.Д. Азаров, В.А. Гарнага // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 6. — С. 115-123. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv AT azarovad mnogokanalʹnaâanalogocifrovaâsistemadlâregistraciiimpulʹsnyhnizkočastotnyhsignalovnaosnoveizbytočnogocifroanalogovogopreobrazovatelâ
AT garnagava mnogokanalʹnaâanalogocifrovaâsistemadlâregistraciiimpulʹsnyhnizkočastotnyhsignalovnaosnoveizbytočnogocifroanalogovogopreobrazovatelâ
AT azarovad bagatokanalʹnaanalogocifrovasistemadlâreêstracííímpulʹsnihnizʹkočastotnihsignalívnaosnovínadliškovogocifroanalogovogoperetvorûvača
AT garnagava bagatokanalʹnaanalogocifrovasistemadlâreêstracííímpulʹsnihnizʹkočastotnihsignalívnaosnovínadliškovogocifroanalogovogoperetvorûvača
AT azarovad multichannelanalogtodigitalsystemforregistrationofpulselowfrequencysignalsbasedonredundantdigitaltoanalogconverter
AT garnagava multichannelanalogtodigitalsystemforregistrationofpulselowfrequencysignalsbasedonredundantdigitaltoanalogconverter
first_indexed 2025-11-03T02:07:24Z
last_indexed 2025-11-04T02:06:28Z
_version_ 1847823684230709248
fulltext © А.Д. АЗАРОВ, В.А. ГАРНАГА, 2017 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 6 115 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ И УПРАВЛЕНИЯ УДК 004.387 А.Д. Азаров, В.А. Гарнага МНОГОКАНАЛЬНАЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ИЗБЫТОЧНОГО ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Введение Аналого-цифровые (АЦ) системы широко используются в отраслях науки и тех- ники, связанных с исследованием разнообразных процессов в геофизике, гидродина- мике, с поиском полезных ископаемых на суше и акваториях рек, озер, морей и океа- нов, с контролем качества звуковых и телерадиоканалов и т.д. Значительная часть сигналов, характеризующих эти процессы, имеет низкочастотный спектр в диапазоне 10 – 1–105 Гц. Отметим, что в указанных задачах часто необходимо обеспечить много- канальное преобразование аналоговых сигналов. В настоящее время для прямого и обратного преобразования низкочастотных сигналов широко используются - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Однако в случае необходимости измерения импульсных затухающих сигналов возможности таких устройств ограничены. В частности такая ситуация имеет место в многоканальных АЦ-сис- темах, в которых разделение измерительных каналов осуществляется с помощью аналогового коммутатора. При этом, учитывая, что - АЦП по сути являются преобразователями следящего типа, то после коммутации сигнала необходимо определенное время для выхода на режим слежения, и ценная информация, зало- женная в начале сигнала, может быть утеряна. В таких случаях целесообразно использовать АЦП поразрядного кодирования, а для увеличения разрешающей способности — операционные усилители с изменяемым коэффициентом передачи. Особенно удобным для кодирования и декодирования импульсных затухающих сигналов является АЦП поразрядного уравновешивания на базе ЦАП с весовой избыточностью [1, 8]. Такие АЦП по сравнению с традиционными двоичными аналогами обладают существенно лучшими динамическими характеристиками и их можно рекомендовать для последовательного преобразования сигналов с аналоговым коммутатором во многоканальных АЦ-системах. При этом система может иметь всего один такой АЦП, который будет успевать «обслуживать» множество каналов. Для преобразования восстановленного по дискретным отсчетам сигнала целесо- образно использовать тот же ЦАП, что и в АЦП. В ряде случаев можно строить систему, когда вместо одного поразрядного АЦП с весовой избыточностью возможно использовать N - АЦП, однако это приводит к существенному увели- чению количества оборудования. Такой подход недостаточно освещен в научно- технической литературе, этим и объясняется актуальность данной публикации. В случае использования сигнальных (преобразователей формы информации) ПФИ могут быть снижены требования к нормированию их метрологических характе- 116 ISSN 0572-2691 ристик и достаточно учитывать соответствие разрядности (разрешающей способ- ности) только погрешности линейности, а иногда — смещения нуля. Примерами таких систем могут быть многоканальные системы обработки для обнаружения полезных ископаемых, системы измерения аудиохарактеристик методом звукового удара и др. Их особенность — большой динамический диапзон входного сигнала. Цель исследований: упрощение аппаратурной реализации АЦ-систем для прямого и обратного преобразования импульсных низкочастотных сигналов за счет применения в качестве базового узла АЦП поразрядного кодирования на основе ЦАП с весовой избыточностью. Рассмотрим задачи данного исследования: 1) анализ возможности построения АЦ-системы для прямого и обратного преобразования импульсных низкоча- стотных сигналов на базе ЦАП с весовой избыточностью; 2) оценивание воз- можностей «размена» заданного уровня весовой избыточности ЦАП на сниже- ние требований к точности формирования весов разрядов у него и повышение быстродействия АЦП поразрядного кодирования, в состав которого этот ЦАП входит; 3) анализ функционирования предложенной АЦ-системы и потенциаль- ных статических характеристик. Построение многоканальной системы преобразования информации с избыточным ЦАП Указанная АЦ-система должна обеспечивать прямое преобразование сигнал– код, т.е. кодирование входного сигнала )()( tKtAIN  и запись полученных кодов дискрет в память; хранение этих кодов в системе в течение некоторого времени, а также возможной перезаписи массива кодовых комбинаций на внешнюю память (на внешний носитель) и обратное преобразование код–аналог, т.е. декодирование )()( tAtK IN с обеспечением необходимого уровня фильтрации восстановлен- ного выходного сигнала по дискретным отсчетам. Пример сейсмосигнала и его обработка с помощью многоканальной АЦ-системы показан на рис. 1, а, б [8]. 0 – 0,2 0,2 V el o ci ty Velocity а Таким образом, эта система в каче- стве базового узла должна содержать АЦП, который обеспечит необходимый уровень квантования и дискретизацию )(tAIN в заданном диапазоне частот с допустимой динамической погрешно- стью; устройство памяти требуемого объема с возможностью перезаписи на внешний носитель; ЦАП с весо- вой избыточностью соответствую- щей разрядности и выходным филь- тром низких частот (ФНЧ), который обеспечит сглаживание выходного сиг- нала по дискретным отсчетам. Режимы работы: запись–воспроизведение могут задаваться оператором, а алгоритм функционирования обеспечивает блок управления. 1INA 0t tNt 0 t б 2INA 0t tNt 0 0t tNt 0 nINA Рис. 1 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 6 117 Схема такой АЦ-системы приведена на рис. 2, где α-ЦАП — цифроаналоговый преобразователь на основе системы счисления с весовой избыточностью, БУ — блок управления, БП — блок памяти, ПОУ — операционный усилитель с програм- мированным коэффициентом усиления, АК — аналоговый коммутатор, НОУ — нормализирующий ОУ, nININ AA ...,, 1 — множество входных сигналов, АТЕSТ — тестовый сигнал для настройки системы, YМ — управляющий сигнал на изменение коэффициента усиления. Следует отметить, что системы счисления с весовой избыточностью (ССВИ) [1] относятся к так называемым весомозначенным системам, к которым, в частности, относятся распространенные двоичная и десятичная. В системах счисления с есте- ственным базисом отношение α весов соседних разрядов (основание системы) является постоянным числом. 1INA НОУ 2INA ÌY nINA ÒÅÑÒA НОУ НОУ ОУ АК ПОУ -ЦАП ФНЧ АЦП Управление БП БУ Запись Аout Kout Рис. 2 Если α — дробное число, например, «золотая» p или s пропорция [2], то дейст- вительное число точно представляется в виде i i n i aD     1 . Однако поскольку данная форма представления предусматривает использо- вание бесконечной разрядной сетки, то для ПФИ она нереальна, и в этом случае целесообразно перейти от действительных чисел к натуральным. Причем показа- но [2], например, что для золотых р-пропорций любое натуральное число изобра- жается в виде i pi n ni aN     1 , (1) где 11   pi p i p i p — i-я степень золотой р-пропорции. Для золотых s-пропорций значение s вычисляется из полинома .0 0 1   s is xx Учитывая, что p и s — дробные рациональные числа, кроме случаев, ко- гда p и s равняются нулю или бесконечности, можно утверждать, что изображение в формуле (1) в большинстве случаев будет приближенным. При этом появляется методическая погрешность N . Следует отметить, что наличие ее для ПФИ не является критическим. Это связано с тем, что в АЦП и ЦАП всегда имеют место как инструментальные, так и методические погрешности, например погрешность квантования, соизмеримая со значением младшего кванта. Определенным комп- ромиссом в этом плане может служить использование вместо выражения (1) 118 ISSN 0572-2691 представления N в виде , 1 i i n di d aN     где d — число дополнительных младших разрядов, что естественно увеличивает разрешающую способность ПФИ. В системах счисления с искусственным базисом веса разрядов формируются как последовательности целых чисел ...,,,, 1210  n Примерами таких наборов являются p-числа Фибоначчи [2], числа Коца и др. Обобщая понятия естественного и искусственного базисов, целесообразно вес любого і-го разряда рассматривать в виде 0QQ i i  для дробных основ и 0QQ ii  — для целочисленного набора, где 0Q — вес младшего нулевого разряда, значение которого задается физической величиной (током или напряжением). В обобщенном базисе значение аналоговой величины А можно представить в виде ii n di QaA     1 . Весовая избыточность ассоциируется с наличием избыточного соотношения между весами разрядов, а именно . 1 0 ij i j QQ    Она имеет место практически во всех системах счисления как с естествен- ным, так и с искусственным базисами на основе p- и s-золотых пропорций, а так- же p и s чисел Фибоначчи. Абсолютная весовая избыточность для i-го разряда определяется как ij i j i QQQ     1 0 ~ , а относительная — в виде i i i Q Q Q   ~  . Для естественного базиса 11 2~ 1 1 0             i ij i j i Q QQ Q . С возрастанием разрядности последний член быстро уменьшается, поэтому можно считать, что )1()2( ~  iQ . (2) Наличие весовой избыточности приводит к удлинению разрядной сетки, ко- торое можно оценить коэффициентом   ln 2lnγn . Для отдельных  имеют место такие значения nγ :  — 2,0; 1,9; 1,8; 1,7; 1,6; 1,5; 1,41; nγ — 1,0; 1,08; 1,118; 1,31; 1,48; 1,71; 2,0. Характеристика преобразования ЦАП с весовой избыточностью отличает- ся многозначностью, что дает возможность избежать разрывов характеристики преобразования при условии, что отклонения весов разрядов Q не превыша- ют значений, соответствующих (2). Так, зависимость аналог–код для  -ЦАП ( = 1,618), реализованного по грубой технологии (погрешность формирования весов Q  20 %), приведенная на рис. 2, демонстрирует отсутствие разрывов по шкале аналоговой величины. На практике это означает, что применение такого грубого ЦАП в АЦП по- разрядного кодирования позволяет всегда уравновешивать входной сигнал INA компенсирующим сигналом COMPA с точностью до младшего кванта, а сам -ЦАП может служить элементом цифро-аналоговой памяти. Принципиальным мо- ментом является то, что при восстановлении кодированного сигнала )( iIN tA по дискретным отсчетам совсем не обязательно знать точные значения реальных ве- Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 6 119 сов разрядов ЦАП. Достаточно при прямом преобразовании аналог–код и обрат- ном код–аналог использовать один и тот же -ЦАП. При соблюдении этого усло- вия исходный и восстановленный сигналы будут точными копиями. Следует также отметить следующее, а именно: если кодирование и запись исходного сигнала )(tAIN реализованы при одном ЦАП, то при восстановлении (обратное преобразование) этого сигнала с помощью другого -ЦАП значитель- ная часть полезной информации будет утеряна. Это обусловлено тем, что реаль- ные значения весов разрядов разных -ЦАП будут отличаться. Поясним сказан- ное на примере, сравнивая веса разрядов двух 10-ти разрядных -ЦАП на основе  = 1,618 (золотая пропорция), изготовленных по упрощенной технологии без ла- зерной подгонки с допуском 5 %. При этом для простоты анализа будем считать, что веса младших семи разрядов -ЦАП гипотетически точные, а три старших разряда неточные, при этом старшие разряды -ЦАП-І имеют максимальный по- ложительный допуск, а -ЦАП-ІІ — отрицательный: -ЦАП-І ;05,1,05,1,05,1,...,,,, 0 9 0 8 0 7 0 6 0 2 0 1 0 QQQQQQQ  -ЦАП-ІІ .95,0,95,0,95,0,...,,,, 0 9 0 8 0 7 0 6 0 2 0 1 0 QQQQQQQ  Графики характеристики преобразования для -ЦАП-І и -ЦАП-ІІ приведе- ны на рис. 3. В данном случае, если на вход поразрядного АЦП подается сигнал INA = 161,6, то в случае применения -ЦАП-І на выходе АЦП сформируется код K –> 110000101, а -ЦАП-ІІ — K –> 1110111110. 0 100 50 1 — -ЦАП-I 2 — -ЦАП-II 150 200 250 600 800 400 200 1000 1200 1 2 Рис. 3 Естественно, что если прямое преобразование аналог–код проводить с при- менением -ЦАП-І, а обратное — код–аналог с применением -ЦАП-ІІ, то OUTA 161,32 и OUTA 129,11. Если использовать точный -ЦАП, то OUTA 145,55. При поразрядном АЦП на выходе АЦП будет сформирована ко- довая комбинация К, цифровой эквивалент которой определяется только реаль- ными весами разрядов использованного ЦАП, а именно K–>1100110101. Полу- ченные результаты подтверждают невозможность восстановления сигнала на дру- гом оборудовании. Эту особенность системы можно использовать для защиты преобразованной информации от несанкционированного доступа. 120 ISSN 0572-2691 Применение в АЦП поразрядного кодирования весовой избыточности позволяет увеличить частоту отсчетов [1], а также расширить спектр входного сигнала )(tAIN . При этом частота отсчетов может возрастать за счет уменьшения времени преоб- разования CONVT , а расширение спектра — за счет возможности «следить» за из- менением уровня )(tAIN в процессе уравновешивания, что в принципе невозможно в случае использования двоичной системы счисления. Уровень избыточности АЦП задается через -ЦАП, который реализуется в заданной системе счисления. При этом время преобразования определяется как сумма длительности тактов tT пораз- рядного уравновешивания. При этом длительность tT для двоичного АЦП должна удовлетворять ,6931,02ln   nntT а общее время n разрядного преобразо- вания ,6931,0 2 CONV  nT где  — постоянная времени. Приведенные соотношения справедливы, если в процессе генерирования пе- реходной процесс в ЦАП компенсирующего сигнала )(COMP tA соответствует схемной функции первого порядка (экспоненте) [3]. Для определенных значений n имеем такие минимальные значения tT и CONVT : n — 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; tT () — 4,2; 5,5; 6,9; 8,3; 9,7; 11,1; 12,5; CONVT () — 25; 44; 69; 100; 136; 174; 225. Уменьшение tT приведет к проявлению динамической погрешности I рода [4]. Если уровень )(tAIN во время преобразования меняется, то в двоичном АЦП по- разрядного кодирования это дополнительно вызовет появление динамической по- грешности II рода. Обе погрешности проявляются в виде неуравновешивания )(tAIN и )(COMP tA и ведут к разрыву характеристики преобразования. Следует заметить, что применение ЦАП с весовой избыточностью дает воз- можность уменьшить длительность tT в АЦП поразрядного кодирования и суще- ственно сократить общее время преобразования [1], а также отслеживать измене- ние входного сигнала во времени. Последнее позволяет избежать применения на входе АЦП устройства выборки и хранения аналоговых сигналов и уменьшить общую погрешность преобразования. На рис. 4 приведены диаграммы поразрядного уравновешивания изменя- ющегося уровня )(tAIN компенсирующим сигналом )(COMP tA при  = 2 и 2 с разрядными коэффициентами {– 1, 1}. 4,18 – 1 0  = 2,0 20 40 12,54 16,72 8,36 20,9 25,08 )(t Ак 1 А 1 1 1 1  18,4)(t Аin(t) V(Аin) = 0,5Q0/ êâ85,6 A 25ïåð Ò а 3,88 -1 0  = 2 20 40 12,6 16,5 7,76 20,4 24,25 )(t Ак 1 А 1 1 1 1 Аin(t) V(Аin) = 0,5Q0/ êâ85,6 A 64,11ïåð Ò б 60 80 Ак(t) -1 -1 1 1 -1 1 1 -1  97,0Òt 25ïåð Ò 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 Рис. 4 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 6 121 При  = 2 возникает существенная динамическая погрешность 85,6 äÀ кв при общем времени шестиразрядного уравновешивания CONVT  25. В то же время при 2 , погрешность 5,0 äÀ кв при CONVT  11,25 и это несмотря на то, что количество тактов в последнем случае n = 12. Для случая 1 <  < 2 дли- тельность такта t может быть оценена в форме )ln( ñòQQt  , где Q — максимальное допустимое отклонение весов разрядов -ЦАП от требуемых зна- чений, stQ — статическая погрешность -ЦАП, изготовленного по упрощенной технологии. Разность stQQ  характеризует ту часть весовой избыточности, которая может повышать быстродействие. При этом коэффициент повышения быстродействия выражается соотношением )ln( ln693,0 st perf QQ n    . Следует отметить, что при упрощенной технологии [1] статическая погреш- ность достигает уровня stQ  1–3% в случае применения разрядных источников тока, а на коммутируемых конденсаторах — на порядок меньше. Для оценки по- тенциальных возможностей использования весовой избыточности для повышения быстродействия в первом приближении можно положить stQ = 0. График функ- циональной зависимости ),(perf nf  для этого случая приведен на рис. 5. Анализ семейства кривых на графике показывает, что выигрыш по быстро- действию увеличивается при возрастании числа разрядов n. Так, при 16n он достигает порядка и более. Таким образом, исходя из систем- ных требований разрядности и быстро- действия АЦП требуется выбрать необ- ходимый уровень весовой избыточности ЦАП. При этом избыточный ЦАП может быть построен на базе обычных дво- ичных ЦАП малой и средней разряд- ности [5]. Техническая реализация такого подхода достаточно проста, особенно, если в качестве избыточной используется система счисления с целочисленными весами разрядов, например на основе p-чисел Фибоначчи. В режиме восстановления по дискретным отсчетам аналогового сигнала )(OUT tA коды дискрет Ki , зафиксированных в памяти системы, подаются на -ЦАП с активным ФНЧ, на выходе которого окончательно формируется аналоговый сигнал. Такой фильтр целесообразно реализовать на базе двухтактного балансного высоколинейного усилителя постоянного тока (УПТ) с введением соответствующей емкости в цепь обратной связи [6]. Значение емкости низкочастотного фильтра fC рассчитывается, исходя из максимальной длительности импульсных дискрет, частоты их следования и погреш- ности установления. В качестве исходного можно воспользоваться выражением )1()()( / outout fU RCt i etUtU   , где )(out itU — перепад напряжения на выходе УПТ между соседними дискре- тами при отсутствии fC ; R — сопротивление в цепи обратной связи усилителя; Ut — длительность импульса дискреты. Относительная погрешность установле- ния при этом составляет fU RCt eδU / set   . 1,5 n = 16 1 10 2 perfY а n = 14 n = 12 n = 10 n = 8 Рис. 5 122 ISSN 0572-2691 Задавшись этой погрешностью, можно рассчитать fC при заданном сопро- тивлении R обратной связи УПТ: setln UR t C U f   . Увеличивая частоту дискретизации (уменьшая Ut ), можно уменьшить fC , однако в этом случае возрастают требования к быстродействию АЦП и ЦАП, по- этому на практике необходимо исходить из возможностей последних. Приведем характеристики разработанной системы: диапазон входного напряжения Uin, В —  10; разрядность, бит — 12, 14, 16; количество каналов, шт — 8–128; максимальная частота спектра Uin, кГц — 20; диапазон выходного напряжения Uout, В —  10; частота дискретизации, кГц — 100, 200, 400; неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), дБ — 1,5. Заключение В настоящей работе проанализирована возможность построения многоканальной АЦ-системы на базе ЦАП с весовой избыточностью. При этом использование анало- гового коммутатора и одного АЦП поразрядного кодирования на базе ЦАП с весовой избыточностью позволит сэкономить оборудование. Доказано, что при использовании -ЦАП в процессе преобразования аналог–код и восстановления по дискретным отсчетам исходный и восстановленный сигналы будут «точными» копиями входного сигнала. Такой подход позволяет использо- вать ЦАП без лазерной подгонки весов разрядов. Указанный подход позволяет существенно повысить быстродействия (в 5–10 раз) за счет возможности компенсировать динамические погрешности І и II рода во многоканальных АЦ-системах, в том числе и возникающие в процессе ком- мутации каналов. Приведены основные статические характеристики такого рода многоканальных АЦ-систем. Показано, что несмотря на применение избыточных ЦАП, статические и динамические погрешности таких систем достаточно низкие, а их параметры удо- влетворяют требованиям преобразования и обработки сигналов в сейсморазведке. О.Д. Азаров, В.А. Гарнага БАГАТОКАНАЛЬНА АНАЛОГО-ЦИФРОВА СИСТЕМА ДЛЯ РЕЄСТРАЦІЇ ІМПУЛЬСНИХ НИЗЬКОЧАСТОТНИХ СИГНАЛІВ НА ОСНОВІ НАДЛИШКОВОГО ЦИФРО- АНАЛОГОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА Проаналізовано проблеми побудови АЦ-систем для високолінійного прямого і зворотного перетворення аналогових сигналів, а також основні підходи до по- будови АЦ-систем та виявлено їх переваги та недоліки. Запропоновано метод проектування перетворювачів форми інформації, в складі яких використо- вуються ЦАП з ваговою надлишковістю, що дозволяє створювати АЦ-системи без лазерного припасування параметрів елементів і при цьому мати високі ста- тичні та динамічні характеристики. Наведено аналітичні співвідношення, що Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 6 123 підтверджують перспективність запропонованих підходів, виконано комп'ютерне моделювання роботи ЦАП з активним фільтром на базі ППС, надано рекомендації щодо визначення оптимальних значень параметрів фільтра. A.D. Azarov, V.A. Harnaha MULTICHANNEL ANALOG-TO-DIGITAL SYSTEM FOR REGISTRATION OF PULSE LOW FREQUENCY SIGNALS BASED ON REDUNDANT DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER The problems of construction of the AD systems with high linearity forward and re- verse conversion of analog signals are considered. Such systems are widely exploited in various fields of science and technology. The article analyzes the main approaches to the construction of the AD systems and their advantages and drawbacks. There was offered a method of designing the forms of information converters, in which there are used as а part the DAC with weight redundancy that allows you to create the AD systems at low current element base and at the same time have high static and dynamic characteristics. There were offered the analytical ratios, confirming the pro- spects of the proposed approaches, carried out computer modeling of DAC with an active filter based on DCA, recommendations for the definition of the optimal values of the filter parameters. 1. Азаров О.Д. Аналого-цифрове порозрядне перетворення на основі надлишкових систем числення з ваговою надлишковістю. — УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2010. — 232 с. 2. Stakhov A.P. Fibonacci p-codes and codes of the «golden» p-proportions: New informational and arithmetical foundations of computer science and digital metrology for mission-critical applica- tions // British Journal of Mathematics & Computer Science. — 2016. — 17, N 1. — P. 1–49. 3. Сигорский В.П., Петренко А.И. Основы теории электронных схем/ — Киев : Вища школа, 1971. — 568 с. 4. Островерхов В.В. Динамические погрешности аналого-цифровых преобразователей. — Л. : Энергия, 1975. — 176 с. 5. Азаров О.Д., Решетнік О.О., Гарнага В.А. Високопродуктивні АЦП із ваговою надлиш- ковістю зі змінними тривалостями тактів порозрядного кодування. — УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2012. — 161 с. 6. Азаров О.Д., Гарнага В.А. Двотактні підсилювачі постійного струму для багаторозряд- них перетворювачів форми інформації, що самокалібруються. — УНІВЕРСУМ- Вінниця, 2011. — 156 с. 7. Azarov, A.D., Chernyak, A.I., Chernyak, P.A. The class of numerical systems for pipeline bit se- quential development of multiple optoelectronic data streams. Proceedings of SPIE. The Interna- tional Society for Optical Engineering. — 2001. — 4425. — P. 406–409. 8. http://www.newgeophys.spb.ru/ru/article/coal_forecast/ Получено 11.10.2016 После доработки 28.09.2017

Ähnliche Einträge