Відмовостійкі багаторозрядні АЦП і ЦАП, що самокалібруються, з ваговою надлишковістю

Abstract

Дисертацію присвячено розробці методів забезпечення відмовостійкості багаторозрядних ЦАП і АЦП порозрядного кодування з ваговою надлишковістю. Запропоновано метод підтримання відмовостійкості багаторозрядних ПФІ з ваговою надлишковістю шляхом цифрового самокалібрування ваг розряді і характеристики перетворення з виконанням багаторазових розгорток та подальшим осередненням отриманих результатів. Запропоновано аналітичні вирази для оцінювання міжкалібрувального інтервалу, що дозволить підтримувати відмовостійкість роботи вказаних пристроїв протягом всього циклу експлуатації. Отримано співвідношення для оцінювання ефективності процедур самокалібрування, що дозволяє визначити доцільність використання тієї чи іншої процедури при проектуванні багаторозрядних ПФІ. Доведено, що характеристика квантування ПФІ на основі систем числення з ваговою надлишковістю (СЧВН) із природним базисом є нерівномірною, а крок квантування багатозначний. Встановлено, що набір можливих кроків квантування обмежений і залежить від основи системи числення, що дозволить враховувати похибки квантування при оцінюванні загальної похибки ПФІ.

Диссертация посвящена разработке методов обеспечения отказоустойчивости многоразрядных ЦАП и АЦП поразрядного кодирования с весовой избыточностью. Предложен метод поддержания отказоустойчивости многоразрядных ПФИ с весовой избыточностью путем цифровой самокалибровки весов разрядов и характеристики преобразования с выполнением многоразовых разверток и дальнейшим усреднением полученных результатов. Предложены аналитические выражения для оценки межкалибровочного интервала, которые позволят поддерживать отказоустойчивость указанных устройств на протяжении всего цикла эксплуатации. Получены аналитические выражения для оценки эффективности процедур самокалибровки, которые разрешают определить целесообразность использования той или иной процедуры при проектировании многоразрядных ПФИ. Доказано, что характеристика квантования ПФИ на основании систем счисления с весовой избыточностью с естественным базисом есть неравномерной, а шаг квантования многозначительный. Установлено, что набор возможных шагов квантования ограничен и зависит от основы системы счисления, что разрешит учитывать погрешности квантования при определении общей погрешности ПФІ.

The important scientific problem is solved in the thesis. The elements of fault tolerance multi-bit ADC and DAC with weight surplus theory are developed. This is a subsoil for the construction the new class of multi-bit high-linear successive approximation ADC and DAC with weight surplus which metrology characteristics practically do not depend on the variation of environment conditions. Use of such class of information form converters in information-measuring systems, control systems allows to guarantee fault tolerance of all system. The existing methods analysis of multi-bit ADC and DAC fault tolerance maintenance is carried out. It is defined that constructing new methods of fault tolerance maintenance of multi-bit information form converters is actual. In particular, the use of digital self-calibration method of bits weight and transfer characteristic of information form converters is perspective. Digital self-calibration is possible when multi-bit ADC and DAC are built on scale of notation with weight surplus. Multi-bit ADC and DAC construction on scale of notation with weight surplus also allows to speed-up conversion due to dynamic errors indemnification. Self-calibration is the variety of self-correction which used for information form converters built on traditional binary notation. In the process of the self-calibration procedure the digital equivalents codes of inaccurate bits deviations are determined by comparing the weight of current calibrated bit with the definite group of less bits with the follow-up calculation of the corrected values of «inexact» bits. The comparison is performed on the base of existing mathematical correlations between DAC bits. In this case the use of the special exemplary measures or standard signals devices aren’t needed. Unlike self-correction in the mode of basic conversion the corrective is entered in a digital form which does not influence on the information conversion performance. The method of fault tolerance maintenance of multi-bit DAC and successive approximation ADC with weight surplus, built on inexact and unstable analog units, is proposed. This method uses digital self-calibration of bit weights and transfer characteristic, in particular, with implementation of averaging on evolvent procedure. Within the framework of this procedure the multiple evolvent of calibrating bits is executed. Further the got results are averaged. Analytical equations for calibration interval evaluation of multi-bit DAC and successive approximation ADC with weight surplus were received. These equations allow to maintain conversion fault tolerance during all cycle of exploitation at the environment parameters change and analog units elements senescence. Analytical equations for self-calibration procedures efficiency evaluation were received, in particular, one-cyclic with setting individual level of calibration signal and averaging on evolvent procedure. It allowed to estimate efficacy of different self-calibration methods depending on necessary multi-bit ADC and DAC precision descriptions. A concept of nonlinear constituent of self-calibration methodical error was put forward. The concept determines efficiency of linear errors diminishing after self-calibration. The static errors models of AD- and DA-conversion channels before and after self-calibration are proposed. These errors are appeared because of particular parametric failure as a result of environment factors and elements senescence of multi-bit ADC and DAC analog units. It allowed to define the errors constituent of these channels and to pick out corrected, partly corrected and uncorrected errors. It is proved that a quantization characteristic of information form converters built on scale of notation with weight surplus with natural base is irregular and step of quantum is significant. It is determined that the set of possible quantum steps is limited one and depends on scale of notation base which will allow to take into account the quantum errors at the evaluation of general conversion error of multi-bit ADC and DAC with weight surplus. The structures of fault tolerance multi-bit successive approximation ADC and DAC and structures of analog units of indicated devices are proposed. It is developed structurally logical charts of forming the conversion result of ADC and digital equivalent of DAC working code. It is shown that such approach allows to carry out a calculation in the traditional binary scale of notation and does not require the additional code converter on the ADC output (DAC input). Recommendations for planning of fault tolerance multi-bit information form converters with weight surplus are developed. Software for simulation of conversion process of multi-bit self-calibrating DAC and successive approximation ADC with weight surplus is developed. It allows to estimate characteristic of multi-bit information form converters with weight surplus, to optimize the algorithms of their work changing the number of bits, base of scale of notation, tolerance on the elements etc.