WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 |

«Майоров Артем Владиславович ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРЫ ЭЛЕКТРОДОМКРАТОВ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА Специальность 05.11.16 – ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

На правах рукописи

Майоров Артем Владиславович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОПОРЫ

ЭЛЕКТРОДОМКРАТОВ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)



Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Светлов Анатолий Вильевич ПЕНЗА 2015 Содержание Стр.

Введение Глава 1 Обоснование необходимости разработки новых составляющих информационно-измерительных систем с улучшенными метрологическими характеристиками

1.1 Обзор задач, которые необходимо решить 10 Обзор используемых в настоящее время средств коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей Обзор используемых в настоящее время средств коррекции погрешностей цифро-аналоговых преобразователей Выводы по главе 1 Глава 2 Разработка новых способов коррекции погрешностей встроенных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей микроконтроллеров

2.1 Обоснование необходимости разработки новых способов коррекции погрешностей АЦП и ЦАП

2.2 Эксперимент по определению основных погрешностей компонентов ИИС

2.3 Эксперимент по определению дополнительных температурных погрешностей компонентов ИИС

2.4 Коррекция основных и дополнительных температурных погрешностей преобразования встроенных АЦП микроконтроллеров

2.5 Принцип коррекции интегральной нелинейности встроенных аналого-цифровых преобразователей микроконтроллеров

2.6 Коррекция основных и дополнительных температурных погрешностей преобразования ЦАП Выводы по главе 2 Глава 3 Создание математической модели погрешности преобразования тензорезистивных датчиков силы

3.1 Обоснование необходимости разработки математической модели зависимости погрешности датчиков силы от приложенной 49 нагрузки

3.2 Описание эксперимента по определению функции преобразования датчиков силы, имеющих различные максимальные нагруз- 50 ки

3.3 Выбор метода интерполяции для построения математической модели погрешности выходного сигнала от приложенной 55 нагрузки

3.4 Определение количества узлов, необходимых для создания интерполяционного полинома

3.5 Создание математической модели зависимости погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки для датчиков силы на 60 нагрузку 10тс

3.6 Создание математической модели погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки для датчиков силы на различную 62 величину максимальной нагрузки

–  –  –

Глава 4 Разработка информационно-измерительной системы измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса

4.1 Требования к ИИС измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса

4.2 Разработка датчиков силы

4.3 Разработка блока обработки

4.4 Разработка алгоритмов функционирования и программного обеспечения блоков системы

–  –  –

Заключение. Основные результаты и выводы по работе Библиографический список Приложение А. Акт о внедрении результатов диссертационной работы 104 Введение При подготовке к пуску ракеты-носителя необходимо непрерывно измерять нагрузку, передаваемую от ракеты-носителя на опоры электродомкратов опорных ферм стартового комплекса с целью своевременного обнаружения смещения центра тяжести ракеты-носителя (РН) и возникновения аварийной ситуации в процессе заправки компонентами ракетного топлива. В настоящее время для этого используются информационноизмерительные системы (ИИС) для измерения нагрузки с тензорезистивными датчиками силы (ДС) в качестве первичных преобразователей. Основными требованиями к ИИС подобного рода являются:

– сохранение высоких точностных характеристик при работе в натурных условиях в широком диапазоне изменения внешних дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры от минус 50 до +50°С;

– повышенная надежность;

– отсутствие электрорадиоизделий иностранного производства;

– обеспечение заявленных точностных характеристик при большой протяженности линий связи (до 200м между ДС и блоком обработки и до 1000м между блоком обработки и электронной вычислительной машиной);





– ограниченные масса и габариты отдельных блоков системы;

– возможность самодиагностики системы без демонтажа со стартового комплекса.

Указанные особенности ИИС обуславливают необходимость снижения основных и дополнительных погрешностей блоков системы, а именно датчиков силы, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Наиболее значимые результаты в теории и практике построения ИИС для измерения нагрузок получены коллективами Института точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева РАН (г. Москва), НИИ стартовых комплексов им. В. П. Бармина (г. Москва), НИИ физических измерений (г. Пенза), международного института инженеров электротехники и электроники IEEE, американскими компаниями National Instruments, Analog Devices, Texas Instruments и др.

Известные работы в области снижения основных и дополнительных погрешностей ИИС в основном касаются цифровой обработки информации и повышения быстродействия систем, и не затрагивают вопросов, касающихся снижения дополнительных погрешностей компонентов ИИС.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной поиску путей снижения основных и дополнительных погрешностей блоков информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса, представляется актуальной.

Цель диссертационного исследования – совершенствование информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса в плане снижения основных и дополнительных погрешностей узлов, включая АЦП, ЦАП, датчики силы.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

– исследование источников основных и дополнительных погрешностей блоков обработки аналоговой информации информационно-измерительных систем;

– разработка структуры ИИС измерения нагрузок на опорах электродомкратов стартового комплекса, обеспечивающей низкие значения основных и дополнительных погрешностей;

– создание математической модели погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов;

– разработка ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, с улучшенными метрологическими характеристиками на основе отечественной элементной базы.

Объектом исследования является ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса со стороны ракетыносителя при подготовке к пуску.

Предметом исследования являются методы коррекции погрешности нелинейности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, пути коррекции погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы системного и математического анализа, теории погрешностей, теории измерений, теории электрических цепей, схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического моделирования.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана структура датчика силы ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дифференциального усилителя, микроконтроллера со встроенными АЦП и ЦАП для реализации цифровой обработки сигналов и внешних цифровых интерфейсов связи, а также дополнительного источника опорного напряжения, ключа и цепи обратной связи для коррекции погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллера.

2. Предложена математическая модель погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, позволяющая учесть нелинейность функции преобразования датчиков силы во всем диапазоне нагрузок.

3. Разработана структура блока обработки информации ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дополнительного микроконтроллера для реализации внешних интерфейсов связи, оптических приемопередатчиков для построения каналов приема-передачи по ВОЛС и преобразователей уровней для реализации проводных цифровых интерфейсов связи с датчиками и контрольно-наблюдательным пунктом.

Практическая значимость.

1. Разработана структурная схема ИИС, предназначенной для измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса со стороны ракеты-носителя, отличающаяся переносом входного дифференциального усилителя и АЦП из блока обработки в датчики силы, а также введением в датчики силы микроконтроллера для нормирования выходного сигнала и реализации цифрового интерфейса дуплексной связи между ДС и блоком обработки.

2. Разработаны схемотехническая реализация всех блоков ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, с применением отечественной элементной базы.

3. Разработано программное обеспечение датчиков силы, реализующее цифровую обработку сигналов с применением предложенной математической модели и нормирование выходного сигнала датчиков силы, что повышает точность измерений, а также позволяет производить замену датчиков силы без проведения повторной настройки системы.

4. Разработана ИИС измерения нагрузок, действующих на опоры четырех электродомкратов стартового комплекса при подготовке к пуску ракетыносителя, с основной погрешностью не более 0,5% с доверительной вероятностью 0,95, дополнительной температурной погрешностью не более 0,005%/°С в диапазоне рабочих температур от минус 50 до +50°С.

На защиту выносятся:

1. Структура датчика силы, отличающаяся введением дифференциального усилителя, микроконтроллера со встроенным АЦП и ЦАП, а также дополнительных узлов для коррекции основных и дополнительных погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

2. Математическая модель погрешности преобразования от приложенной нагрузки датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, построенная на основе интерполяционного многочлена Лагранжа.

3. Структура блока обработки информации ИИС измерения нагрузок, отличающаяся введением дополнительного микроконтроллера для реализации программного управления внешними интерфейсами связи, оптических приемопередатчиков для построения каналов приема-передачи по ВОЛС и преобразователей уровней для физической реализации проводных цифровых интерфейсов связи с датчиками и контрольно-наблюдательным пунктом, при этом цифровые интерфейсы связи используется для дублирования каналов ВОЛС.

Реализация результатов работы.

Материалы диссертационной работы использованы в ОАО «НИИ физических измерений» (г. Пенза) при выполнении ОКР «Возрождение». Изготовлена опытная партия ИИС, предназначенных для измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2014 гг.), конференциях «Шляндинские чтения» (Пенза, 2014 гг.), «Теоретические и прикладные аспекты современной науки» (Белгород, 2014), «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2014), «Теоретические и прикладные вопросы науки и образования» (Тамбов, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 печатных работ без соавторов.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 61 наименований и 1 приложения.

Объем работы: 105 листов машинописного текста, включающего 11 таблиц и 35 рисунков.

В первой главе проведен анализ основных и дополнительных погрешностей узлов существующих ИИС, предназначенных для измерения нагрузок, действующих на опоры электродомкратов стартового комплекса, в первую очередь – датчиков силы, встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров. На основании проведенного анализа намечены пути снижения погрешности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, аддитивной и мультипликативной составляющих, нелинейности функции преобразования встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Во второй главе исследованы погрешности, вносимые различными компонентами канала обработки аналоговых сигналов ИИС на основе «систем на кристалле». На основании результатов, полученных в результате проведенного эксперимента, предложены пути снижения основных и дополнительных погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

В третьей главе исследованы погрешности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, на основе чего обоснована необходимость разработки математической модели погрешности преобразования тензорезистивных датчиков силы от приложенной нагрузки. Предложена универсальная математическая модель зависимости погрешности выходного сигнала от приложенной нагрузки для исследованных тензорезистивных датчиков силы.

В четвертой главе сформулированы требования к ИИС измерения нагрузок на опоры электродомкратов стартового комплекса, разработаны структурные схемы, алгоритмы функционирования и программное обеспечение датчиков силы и блока обработки ИИС.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В приложении к работе представлены сведения о внедрении результатов диссертационной работы.

Глава 1 Обоснование необходимости разработки новых составляющих информационно-измерительных систем с улучшенными метрологическими характеристиками

1.1 Обзор задач, которые необходимо решить В настоящее время существует проблема построения высокоточных интеллектуальных информационно-измерительных средств на основе «систем на кристалле», обладающих низким энергопотреблением, низкой основной погрешностью, низкой дополнительной температурной погрешностью, малой массой и габаритами. Наиболее остро указанная проблема стоит при построении информационно-измерительных систем (ИИС), предназначенных для эксплуатации в авиационной и космической технике, военной аппаратуре специального назначения, системах выведения космических аппаратов (КА).

При этом основной задачей, которую необходимо решить, представляется задача микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в совокупности с одновременным повышением точности и надежности. В настоящее время основным методом решения вышеуказанной задачи является переход от реализации функционально законченных блоков в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) к реализации «систем на кристалле», то есть функционально законченных устройств на одном полупроводниковом кристалле. При невозможности размещения всех необходимых блоков на едином кристалле, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус.

Использование «систем на кристалле» позволяет значительно снизить такие параметры конечного устройства, как масса, габаритные размеры, снизить энергопотребление [1, 2].

Одним из наиболее ярких примеров «систем на кристалле» являются микроконтроллеры (МК), так как кроме процессорного ядра имеют в своем составе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), таймеры/счетчики, аппаратные интерфейсные блоки, аналоговые блоки аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и другие [1].

Применение микроконтроллеров при построении ИИС зачастую является оптимальным решением с точки зрения уменьшения себестоимости устройства, снижения массы, габаритов и энергопотребления. При этом зачастую невозможно обеспечить низкие основные и дополнительные погрешности системы без использования внешних по отношению к микроконтроллерам аналоговых блоков АЦП и ЦАП, ввиду значительной погрешности встроенных АЦП и ЦАП большинства микроконтроллеров [3].

При построении ИИС, осуществляющих цифровую обработку аналоговых сигналов на основе "систем на кристалле" необходимо учитывать погрешности преобразования сигнала, вносимые трактом прохождения информационного сигнала [4]. Наиболее обобщенная структурная схема канала информационно-измерительной системы, предназначенного для цифровой обработки аналоговых сигналов, приведена в [3]. Более конкретизированный вариант с точки зрения применения в ракетно-космической технике (РКТ) и системах выведения КА указанной структурной схемы представлен на рисунке 1.1. Приведенная структурная схема канала обработки аналоговых сигналов ИИС включает в себя следующие основные компоненты:

1. Первичный преобразователь;

2. Входной аналоговый преобразователь и/или фильтр нижних частот;

3. Аналого-цифровой преобразователь;

4. Микроконтроллер, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) или цифровой сигнальный процессор (ЦСП);

5. Цифро-аналоговый преобразователь;

6. Выходной фильтр нижних частот ЦАП;

7. Драйвер интерфейса.

Рисунок 1.1 – Структурная схема канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы Погрешности каждого из компонентов тракта можно условно разделить на статические и динамические погрешности [5].

Погрешности преобразования ЦАП условно можно разделить на статические и динамические погрешности. К статическим погрешностям относятся:

1. Аддитивная составляющая (погрешность нуля) – характеризуется постоянным смещением во всем диапазоне выходных напряжений (входных кодов);

2. Мультипликативная составляющая (погрешность усиления) – характеризуется линейным возрастанием/убыванием пропорционально входному коду (выходному напряжению);

3. Дифференциальная нелинейность локальная – отклонение приращения выходного сигнала при изменении входного кода на единицу младшего разряда;

4. Немонотонность функции преобразования;

5. Интегральная нелинейность характеризуется максимальным отклонением значений реальной функции преобразования от соответствующих точек на прямой, аппроксимирующих указанную функцию.

К динамическим погрешностям цифро-аналоговых преобразователей относятся:

1. Время установления выходного напряжения (тока) – интервал времени от изменения кодовой комбинации на входе ЦАП до момента входа выходного сигнала в зону установившегося состояния, соответствующего ±1/2 шага квантования;

2. Скорость нарастания/спада выходного напряжения (тока);

3. Выброс выходного сигнала, характеризуется коротким всплеском в выходном сигнале ЦАП, возникающем при изменении входного кода [5].

Статические погрешности входного аналогового преобразователя, являющегося фильтром нижних частот (ФНЧ), и выходного фильтра ЦАП зависят от схемы построения и в общем случае подразделяются на аддитивную составляющую погрешности преобразования и мультипликативную составляющую. При использовании в качестве ФНЧ LC и/или RC фильтров их статические погрешности обусловлены лишь величиной активного сопротивления (резистивной составляющей) и при использовании конденсаторов с достаточно большим сопротивлением утечки (100МОм) легко поддаются учету при проектировании системы.

При использовании фильтров на переключаемых конденсаторах типа 1478ФН1У [6], 1478ФН2У [7] и аналогичных имеет место быть аддитивная составляющая погрешности преобразования, обусловленная дрейфом выходного напряжения при нулевом входном сигнале, что связано с принципом работы микросхем подобного типа. При этом мультипликативная составляющая погрешности (погрешность усиления) отсутствует [6, 7], что обусловлено принципом функционирования микросхем подобного типа.

Загрузка...

При построении активных фильтров на основе операционных усилителей (ОУ) вносимые фильтром статические погрешности будут определяться в основном точностными параметрами примененного операционного усилителя [8].

Процесс аналого-цифрового преобразования входного непрерывного аналогового сигнала состоит из процессов квантования по времени и дискретизации по уровню. Ввиду наличия процесса дискретизации по уровню возникает погрешность квантования, равная 0,5 единиц младшего значащего разряда [3].

Составляющие погрешности преобразования АЦП, вызванные дифференциальной и интегральной нелинейностями функции преобразования, обусловлены принципом работы и зависят от типа конкретного аналогоцифрового преобразователя и принципа его работы [9]. Низкое значение дифференциальной нелинейности функции преобразования (не более 0.5 ЕМР) также гарантирует непропадание кодов и монотонность функции преобразования.

В первую очередь коррекция погрешностей производится при изготовлении ЦАП (технологическая подгонка). Однако, она желательна также при использовании каждого конкретного образца ЦАП в реальных изделиях. В последнем случае коррекция производится за счет введения в структурную схему изделия дополнительных узлов, отвечающих за коррекцию ЦАП, то есть на структурном уровне [3].

При использовании структурных методов аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности преобразования легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразования. Для компенсации погрешности усиления либо корректируют коэффициент усиления усилителя, вводимого на выходе ЦАП, либо корректируют опорное напряжение ЦАП, в случае использования перемножающих цифро-аналоговых преобразователей. Так же возможно введение программных коэффициентов коррекции, корректирующих код до загрузки в ЦАП.

Среди структурных методов линеаризации функции преобразования известны компенсационные методы и методы с контролем по тестовому сигналу.

Компенсационные методы основаны на введении в структуру преобразователя вспомогательных резистивных матриц, управляемых кодом, обратным коду, подаваемому на основную матрицу. Это позволяет уменьшить паразитное влияние кодозависимых токов, протекающих по общим шинам питания и земли, стабилизирует рассеиваемую мощность и тепловой режим схемы.

Методы коррекции с тестовым контролем основаны на идентификации погрешностей цифро-аналоговых преобразователей на всем множестве допустимых входных воздействий (входных кодов) и добавлением предварительно рассчитанных поправок к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.

Независимо от метода коррекции по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

1. Определение характеристики преобразования ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве входных значений;

2. Идентификация погрешностей посредством вычисления отклонений выходного сигнала от расчетных значений;

3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин и/или корректирующих воздействий;

4. Проведение коррекции выходной величины.

Независимо от способа определения корректирующих поправок, их значения хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция погрешностей преобразования ЦАП с помощью этих поправок может производиться как в аналоговой, так и в цифровой форме.

При обработке медленноменяющихся сигналов наиболее значимыми являются статические погрешности. Статические погрешности преобразования ЦАП, а именно, аддитивная и мультипликативная составляющие, интегральная и дифференциальная нелинейности, могут быть учтены следующим выражением:

N DACU ref U DAC ( N DAC ) U 0 K m U D ( N DAC ) U I ( N DAC ), (1) RDAC где U DAC ( N DAC ) – выходное напряжение ЦАП,

– значение аддитивной составляющей погрешности,

– коэффициент, учитывающий мультипликативную составляющую погрешности преобразования,

– значение кода, записанного в ЦАП,

– значение опорного напряжения ЦАП,

– разрядность ЦАП,

– значение локальной дифференциальной нелинейности при входном коде равном, не превышает ±1/2 шага квантования,

– значение интегральной нелинейности при входном коде ЦАП равном.

Проведя анализ вышеуказанных составляющих статических погрешностей преобразования ЦАП, можно сделать вывод, что аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности преобразования могут быть учтены программно посредством коэффициентов, постоянных для всего диапазона 17 входных кодов цифро-аналогового преобразователя. Интегральная нелинейность функции преобразования может быть учтена с помощью таблицы коэффициентов программно. Логично предположить, что вышеуказанные коэффициенты нуждаются в необходимости экспериментального подбора для каждого конкретного экземпляра цифро-аналогового преобразователя и, как следствие, требуют трудоемкого процесса наладки устройства на этапе производства, что усложняет процесс наладки и снижает надежность устройства вследствие ошибок субъективного характера на этапе наладки. Локальная дифференциальная нелинейность не может быть учтена программно, так как не превышает ±1/2 шага квантования.

1.2 Обзор используемых в настоящее время средств коррекции погрешностей аналого-цифровых преобразователей Статические погрешности АЦП определяются статическими погрешностями его составных элементов. Как следствие, основным направлением коррекции статических погрешностей АЦП является компенсация погрешностей его структурных элементов. Прежде всего, это погрешности ЦАП и операционных усилителей (ОУ). Компенсация погрешностей ЦАП может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме. Она потребует введения в структуру АЦП дополнительных элементов. При этом основная сложность заключается в идентификации корректирующих погрешностей.

В последнее время в технике аналого-цифрового преобразования все большее внимание уделяется улучшению динамических характеристик преобразователей, в том числе структурными и алгоритмическими методами.

Инерционные свойства АЦП, как и любого другого измерительного прибора, проявляются, в наличии динамических погрешностей. Эти погрешности обусловлены, во-первых, переходными процессами, происходящими в узлах АЦП во время преобразования (динамические погрешности первого рода), во-вторых, изменением сигнала за время преобразования (динамические погрешности второго рода).

Величина этих погрешностей зависит от временных параметров используемых элементов, алгоритма аналого-цифрового преобразования и характеристик сигнала – шириной его спектра или скоростью его изменения.

Уменьшение погрешностей первого рода достигается в основном совершенствованием элементной базы (операционных усилителей, ЦАП, ключей и т.д.).

Анализ развития современной элементной базы и существующих разработок показал, что важнейшим фактором, ограничивающим повышение точности комбинированных АЦП на данном этапе развития, является наличие динамических погрешностей второго рода. Именно они чаще всего ограничивают возможность получения высокой точности преобразования, которая достижима по сравнению с уровнем статической точности, которая достижима при применении современных высокоточных компонентов или компонентов средней точности с использованием их автоматической коррекции.

Таким образом, быстродействие АЦП и его точность оказываются связанными между собой и с характеристиками входного сигнала. Существует определенная взаимосвязь между статической и динамической точностью аналого-цифровых преобразователей. Не имеет смысла добиваться статической точности выше уровня точности, который может быть обеспечена в динамическом режиме работы преобразователя, так как наличие динамической погрешности на определенном уровне делает бессмысленным восприятие определенного числа младших разрядов выходного кода как не несущих полезной информации.

Указанный выше вывод привел к появлению различных методов компенсации динамических погрешностей.

Одним из самых распространенных методов их устранения является использование устройства выборки-хранения (УВХ), фиксирующего значение напряжения на входе преобразователя в момент начала преобразования, включение линии задержки (ЛЗ) в многоотсчетных АЦП, учитывающих изменение входного сигнала за время формирования сигналов, преобразуемых различными каналами, например, в параллельно-последовательных АЦП.

Однако эти методы применяются в высокопроизводительных АЦП (со временем преобразования до 5 мкс) лишь достаточно низкой точности (8-10 двоичных разрядов), так как современные интегральные УВХ не обеспечивают большей точности фиксации напряжения в течение указанного времени преобразования, а применение ЛЗ ограничивается практическими трудностями в согласовании режима работы АЦП с величиной задержки. Применение специально разработанных схем УВХ и ЛЗ, как правило, связано с большими затратами. Все это привело к поиску и использованию структурных методов компенсации таких погрешностей.

Рассмотрим это на примере параллельно-последовательного АЦП (ППАЦП).

Если входной сигнал за время работы такого АЦП остается постоянным, то максимальная величина разностного сигнала на выходе вычитателя не может быть больше кванта дискретизации (веса младшего разряда) БИС АЦП1. Как указывалось выше, коэффициент усиления усилителя при этом выбирается так, чтобы привести такой максимальный сигнал к диапазону входного сигнала АЦП2. Однако если входной сигнал меняется по величине, то ко времени срабатывания АЦП2 за время необходимое для срабатывания АЦП1 и ЦАП разностный сигнал может принять значение большее этого кванта. Тогда после его усиления сигнал на входе АЦП2 может выйти из диапазона рабочих напряжений АЦП2. При этом на выходе АЦП2 будет формироваться максимально возможный код, не соответствующий, однако, значению напряжению, поступающему на вход АЦП2 из-за превышения им диапазона АЦП2.

Вследствие формирования отсчета АЦП2 с погрешностью выходной код устройства также будет формироваться с погрешностью.

Так как появление такой погрешности обусловлено изменением входного сигнала в процессе работы АЦП она по своей сущности является динамической погрешностью второго рода.

Условно можно сказать, что погрешность возникла из-за того, что диапазона АЦП2 не хватило для того, чтобы закодировать чрезмерно большой сигнал на его входе. Погрешность, с которой сформировался при этом выходной код, соответствует разности напряжения на входе АЦП2 в момент кодирования и максимальным напряжением диапазона этого АЦП2. Величина этой погрешности равна.

Таким образом, для исключения такой погрешности, необходимо увеличить диапазон работы АЦП2 настолько, чтобы в его рамки умещался усиленный разносный сигнал, формируемый с учетом изменения входного напряжения за время работы АЦП1 и ЦАП. Увеличение диапазона работы АЦП2 равносильно появлению у него дополнительных старших разрядов. А с точки зрения построения ППАЦП это будет означать, что у АЦП2 появятся разряды, по весу совпадающие с весами младших разрядов АЦП1. Говорят, что при этом возникает перекрытие диапазонов (шкал) работы первой и второй ступени ППАЦП, или иными словами, с точки зрения рассмотрения ППАЦП как грубо-точной системы – перекрытие грубого и точного ее каналов. За счет появления в кодах АЦП1 и АЦП2 разрядов с одинаковыми весам выходной код ППАЦП определяется уже как сумма кодов АЦП1 и АЦП2.

При построении реальных ППАЦП и при необходимости получения заданной разрядности выходного кода ППАЦП увеличение числа разрядов АЦП2 означает необходимость использования после введения перекрытия в качестве его БИС с большей разрядностью.

Если же мы по тем или иным соображениям после введения перекрытия шкал каналов должны в качестве АЦП2 использовать ту же самую БИС, то увеличение весов его старших разрядов будет означать уменьшение весов младших разрядов кода АЦП2 и уменьшение разрядности выходного кода ППАЦП в целом. В конечном итоге, это будет означать уменьшение статической точности ППАЦП. Однако за счет компенсации динамических погрешностей общая точность преобразования при этом по сравнению с точностью преобразователя без перекрытия повысится.

При введении перекрытия к диапазону работы АЦП2 приводится больший сигнал с выхода вычитателя, чем без перекрытия. Для этого необходимо по сравнению со структурой без перекрытия уменьшить коэффициент усиления разностного усилителя. Так как появление каждого перекрывающегося разряда будет приводить к расширению шкалы грубого канала в два раза то коэффициент усиления должен уменьшаться в 2m раз, где m – число перекрывающихся разрядов.

1.3 Обзор используемых в настоящее время средств коррекции погрешностей цифро-аналоговых преобразователей Существуют различные методы компенсации статических погрешностей ЦАП. Основным классификационным признаком методов является класс учитываемых ошибок. По этому признаку выделяются следующие методы:

1. Коррекция масштаба и нулевой точки характеристики;

2. Коррекция отклонения коммутируемых мер;

3. Коррекция нелинейности общего вида.

Прежде всего, коррекция погрешностей производится при изготовлении преобразователей (технологическая подгонка). Однако, часто она желательна и при использовании конкретного образца БИС в том или ином устройстве. В последнем случае коррекция проводится за счет введения в структуру устройства кроме БИС ЦАП дополнительных элементов, то есть на структурном уровне. Вследствие этого такие методы получили название структурных.

В состав ЦАП входят различные функциональные узлы. При осуществлении подгонки каждый из узлов подгоняется независимо от других.

Алгоритм подгонки должен, прежде всего, обеспечить монотонность функции преобразования, затем ее линейность, отсутствие смещения нуля и требуемый коэффициент преобразования.

Самым сложным процессом является обеспечение монотонности и линейности, ибо они определяются связанными параметрами многих элементов и узлов. Чаще всего осуществляют подгонку только смещения нуля, коэффициента преобразования и дифференциальной нелинейности симметричного типа. Остального рода погрешности носят суперпозиционный характер, то есть проявляются во взаимовлиянии элементов друг на друга. Такие погрешности выявлять, контролировать и корректировать очень сложно.

Точностные параметры, обеспечиваемые технологическими приемами, ухудшаются при воздействии на преобразователь различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь – воздействие температуры. Необходимо помнить и о факторе старения элементов.

С ростом точности затраты на разработку преобразователей и их изготовление всегда растут. С учетом всего этого улучшения метрологических показателей рационально добиваться комплексно, используя технологические приемы с различными структурными методами. А при использовании готовых интегральных преобразователей структурные методы это единственный путь дальнейшего повышения метрологических характеристик системы преобразования.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Среди структурных методов линеаризации характеристики необходимо выделить компенсационные методы и методы с контролем по тестовому сигналу.

Компенсационные методы заключаются во введении в структуру преобразователя вспомогательных резистивных матриц, управляемых кодом, обратным коду, подаваемому на основную матрицу. Это позволяет уменьшить паразитное влияние кодозависимых токов, протекающих по общим шинам земли и питания, стабилизирует рассеиваемую мощность и тепловой режим схемы.

Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением, рассчитанных на основе этого поправок, к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.

При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

1. Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.

2. Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.

3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.

4. Проведение коррекции.

Первые три пункта относятся к процессу контроля, последний пункт - к процессу преобразования, так как проведение коррекции осуществляется во время преобразования.

Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования.

Может проводиться и с помощью специализированного оборудования встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, во время, когда преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Это обеспечивает долговременную метрологическую стабильность работы преобразователя даже при постоянном воздействии на него каких-либо дестабилизирующих факторов.

Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при его работе в составе микропроцессорной измерительной системы.[3, 9] Простейшая модель нелинейной составляющей погрешности ЦАП основана на допущении стабильности погрешности для каждого кода и случайной зависимости ее от кода. Очевидно, что идентификация параметров такой модели требует измерения выходного сигнала на всех допустимых кодах (метод сквозного контроля).

Обязательным для этого метода является использование прецизионного измерителя.

Основной недостаток любого метода сквозного контроля – большое время контроля наряду с разнородностью и большим объемом используемой аппаратуры.

Большая группа методов контроля по тестовому сигналу основывается на предположении о независимости весов разрядов от преобразуемого кода.

При этом можно составить систему независимых уравнений, число которых равно количеству корректируемых разрядов преобразователя. Часто эту систему уравнений добавляют еще двумя, определяющими погрешность смещения нуля и масштабную погрешность. Для составления каждого уравнения на вход преобразователя подают код из заданного набора. После разрешения такой системы уравнений удается найти погрешности задания каждого разряда, а, следовательно, и поправочное (компенсирующее) значение для каждого значения входного кода. Такие методы получили в настоящее время наибольшее распространение и применяются при построении микропроцессорных управляющих систем.

Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме.

25 При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока.

Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) с параллельными шинами адреса и данных. Входной код играет роль адресного. В ПЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.

При аналоговой коррекции кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ПЗУ поправок. Из ПЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.

Выводы по главе 1 Рассмотрена типичная структурная схема канала обработки медленноменяющихся аналоговых сигналов ИИС. Установлено, что при проектировании ИИС, предназначенных для обработки медленноменяющихся сигналов наибольший интерес представляют статические погрешности. На основании проведенного анализа намечены пути снижения погрешности датчиков силы на основе тензорезистивных мостов, аддитивной и мультипликативной составляющих, нелинейности функции преобразования встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров.

Глава 2 Разработка новых способов коррекции погрешностей встроенных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей микроконтроллеров

2.1 Обоснование необходимости разработки новых способов коррекции погрешностей АЦП и ЦАП В настоящее время существует проблема построения высокоточных интеллектуальных информационно-измерительных средств на основе «систем на кристалле», обладающих низким энергопотреблением, низкой основной погрешностью, низкой дополнительной температурной погрешностью, малой массой и габаритами. Наиболее остро указанная проблема стоит при построении информационно-измерительных систем (ИИС), предназначенных для эксплуатации в авиационной и космической технике, военной аппаратуре специального назначения, системах выведения космических аппаратов (КА).

При этом основной задачей, которую необходимо решить, представляется задача микроминитюаризации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в совокупности с одновременным повышением точности и надежности. В настоящее время основным методом решения вышеуказанной задачи является переход от реализации функционально законченных блоков в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) к реализации «систем на кристалле», то есть функционально законченных устройств на одном полупроводниковом кристалле. При невозможности размещения всех необходимых блоков на едином кристалле, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус.

Использование «систем на кристалле» позволяет значительно снизить такие параметры конечного устройства, как масса, габаритные размеры, снизить энергопотребление.

Одним из наиболее ярких примеров «систем на кристалле» являются микроконтроллеры, так как кроме процессорного ядра имеют в своем составе ОЗУ, ППЗУ, таймеры/счетчики, аппаратные интерфейсные блоки, аналогоцифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и другие.

Применение микроконтроллеров (МК) при построении ИИС зачастую является оптимальным решением с точки зрения уменьшения себестоимости устройства, снижения массы, габаритов и энергопотребления. При этом зачастую невозможно обеспечить низкие основные и дополнительные погрешности системы без использования внешних по отношению к микроконтроллерам аналоговые блоки АЦП и ЦАП ввиду значительной погрешности встроенных АЦП и ЦАП большинства микроконтроллеров.

Таким образом, задача снижения основных и дополнительных погрешностей встроенных АЦП и ЦАП микроконтроллеров является актуальной.

При построении ИИС, осуществляющих цифровую обработку аналоговых сигналов на основе "систем на кристалле" необходимо учитывать погрешности преобразования сигнала, вносимые трактом прохождения информационного сигнала [4]. Структурная схема типичного канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы приведена на рисунке 2.1. Она включает в себя следующие основные компоненты:

8. Первичный преобразователь;

9. Входной аналоговый преобразователь и/или фильтр нижних частот (ФНЧ);

10. Аналого-цифровой преобразователь;

11. Микроконтроллер или программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

12. Цифро-аналоговый преобразователь;

13. Выходной фильтр нижних частот ЦАП.

Рисунок 2.1 – Структурная схема канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительной системы Погрешности каждого из компонентов тракта можно условно разделить на статические и динамические погрешности.

При построении информационно-измерительных систем, осуществляющих обработку медленноменяющихся сигналов, наибольший интерес представляют статические погрешности. Статические погрешности основных компонентов ИИС включают в себя аддитивную составляющую погрешности преобразования, мультипликативную составляющую погрешности преобразования, для АЦП и ЦАП также необходимо учитывать составляющие, обусловленные дифференциальной нелинейностью, интегральной нелинейностью и погрешностью квантования [4, 10].

Процесс аналого-цифрового преобразования входного непрерывного аналогового сигнала состоит из процессов квантования по времени и дискретизации по уровню. Ввиду наличия процесса дискретизации по уровню возникает погрешность квантования, равная 0,5 единиц младшего значащего разряда (МЗР).

Составляющие погрешности преобразования, вызванные дифференциальной и интегральной нелинейностями функции преобразования, в большинстве случаев обусловлены принципом работы АЦП и зависят от типа конкретного аналого-цифрового преобразователя и принципа его работы.

Низкое значение дифференциальной нелинейности функции преобразования (не более 0.5 МЗР) также гарантирует непропадание кодов и монотонность функции преобразования.

2.2 Эксперимент по определению основных погрешностей компонентов ИИС Для определения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей компонентов канала обработки аналоговых сигналов ИИС автором был разработан стенд согласно структурной схеме, изображенной на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Структурная схема стенда для исследования погрешностей компонентов ИИС В качестве источника напряжения использован имитатор первичных преобразователей на основе резистивных датчиков типа ВТ4048.

В качестве вольтметров 1 – 4 использовался нановольт-микроомметр AGILENT TECHNOLOGIES 34420A [11]. Для чистоты эксперимента к различным точкам схемы подключался один и тот же прибор. В отсутствии подключенного прибора к каждой из точек подключался эквивалент входного сопротивления прибора.

Для определения погрешностей АЦП и ЦАП к микроконтроллеру подключалась ЭВМ посредством интерфейса RS-485. Драйвер интерфейса реализован на микросхеме типа 5559ИН10БУ [12]. Для обеспечения гальванической развязки информационных линий интерфейса применены транзисторные оптопары типа 249ЛП8 [13]. Входной и выходной фильтры реализованы на микросхемах типа 1478ФН2У, являющихся фильтром нижних частот (ФНЧ) Баттерворта восьмого порядка [7]. На основании экспериментов, приведенных в [14] и [15], частота среза входного ФНЧ установлена 80 Гц. Частота среза выходного ФНЧ установлена 200Гц.

Проведено две серии экспериментов, с микроконтроллерами (МК) типа 1986ВЕ93 [16] и C8051F410 [17] с использованием встроенных аналогоцифровых и цифро-аналоговых преобразователей микроконтроллеров.

Для снижения влияния шума при определении погрешностей АЦП осуществлялся расчет среднего значения на основе 32 последовательных значений результатов аналого-цифрового преобразования.

Полученные погрешности компонентов канала обработки аналоговых сигналов информационно-измерительных систем при нормальных климатических условиях сведены в табл. 2.2, 2.3.

–  –  –

Как видно из таблицы 2.1, ИИС, построенная с использованием встроенных аналоговых блоков микроконтроллеров, имеет мультипликативную погрешность не более 0,23% и аддитивную погрешность не более 0,03мВ при нормальных климатических условиях. Это обусловлено в первую очередь высокой разрешающей способностью, низкой интегральной нелинейностью и низкой мультипликативной составляющей погрешности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Погрешность входного и выходного фильтров вызвана нелинейностью характеристик используемых компонентов и их нестабильностью во времени, и вносит незначительный вклад в общую погрешность системы.

2.3 Эксперимент по определению дополнительных температурных погрешностей компонентов ИИС Для определения составляющих дополнительных температурных погрешностей компонентов ИИС была использована камера тепла и холода типа ESPEC TABAI MC-711 [18]. Полученные температурные погрешности системы сведены в таблицы 2.4, 2.5.

Таблица 2.4 – Температурная погрешность полной шкалы компонентов ИИС на основе МК типа C8051F410 при изменении температуры от минус 50 до +50°С Тип погрешно- Погрешность Погрешность Погрешность Основная пости входного АЦП ЦАП грешность

–  –  –



Pages:   || 2 | 3 |
Похожие работы:

«ИВАНЧУКОВ АНТОН ГЕННАДЬЕВИЧ Совершенствование системы холтеровского мониторирования электрокардиосигнала для выявления опасных аритмий сердца Специальности: 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Диссертация на соискание ученой...»

«Бардин Виталий Анатольевич СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: д.т.н., профессор...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.