Формирование комплексного подхода к разработке прецизионных аналого-цифровых преобразователей для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники

УДК 621.3.087

Н. А. Кащеев, Ю. Л. Кузнецов, К. Ю. Пискаев, Ю. А. Цуриков

ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К РАЗРАБОТКЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация. Проведен анализ прецизионных аналого-цифровых преобразователей, показаны основные достоинства, недостатки и проблемы их использования. Обоснован комплексный подход к разработке, который позволяет получать эффективные решения задачи синтеза прецизионных аналогоцифровых преобразователей для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники.

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, комплексный подход, информационно-измерительная система, микросхема.

Abstract. The authors have analyzed high-precision analog-to-digital converters (ADCs) and showed main advantages, disadvantages and problems of their use. The article substantiates an integrated approach to the development, which allows to receive effective solutions to the problem of synthesis of high-precision ADC for information-measuring systems, rocket and space technology.

Key words: analog-digital converter,integrated approach, information-measuring system, chip.

Введение

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) информационно-измерительных систем (ИИС) ракетно-космической техники (РКТ) должны отличаться повышенной надежностью, оптимальным соотношением точность-быстродействие для каждого конкретного канала преобразования, высокой степенью унифицируемости. Последнее требование диктуется задачами повышения безопасности, в том числе путем резервирования каналов преобразования.

1. Проблемы использования микросхем АЦП

Сегодня зарубежными производителями микроэлектронных компонентов представлен широкий спектр микросхем АЦП с различными характеристиками. Использование микросхем зарубежного производства в ИИС РКТ не приемлемо по следующим причинам:

1. При многообразии источников информации различной физической природы для каждого канала преобразования (в худшем случае) потребуется выбирать свою модель АЦП с требуемыми характеристиками.

2. Многообразие АТ ЦП приводит к значительному усложнению задачи резервирования (использования запасных каналов преобразования).

3. Возникает необходимость дополнительной аттестации микросхем на предмет соответствия требованиям надежности, а также соответствия эффективного разрешения заявленным паспортным данным.

4. Существуют излишне низкие функциональные возможности в плане изменения параметров преобразования в процессе эксплуатации.

5. Имеется зависимость отечественного сектора РКТ от зарубежных производителей, что неприемлемо из соображения стратегической безопасности.

Отдельно стоит сказать о проблеме, заключающейся в том, что существующие зарубежные технологии повышения точности АТ ЦП доступны только крупным производителям микроэлектроники, таким как AnalogDevices, TexasInstruments, LinearTechnologies и т.д., и фактически диктуются ими. То есть прецизионные АЦП выпускаются по технологиям и используют способы повышения метрологических характеристик, которые разрабатываются и реализуются зарубежными компаниями, но часто скрыты от конечного пользователя. При этом некоторые способы совершенствования не являются оптимальными с точки зрения требований ИИС РКТ.

Другой важной проблемой является то, что аналого-цифровой преобразователь и система обработки данных должны рассматриваться как единая система, которой они и являются в процессе эксплуатации. Повышение эффективности системы возможно лишь сбалансированным совершенствованием ее составляющих. Канал аналого-цифрового преобразования и система обработки должны рассматриваться во взаимосвязи, т. е. выбор характеристик и условий работы канала преобразования необходимо проводить с учетом особенностей последующей обработки данных и динамически изменять в процессе эксплуатации по требованию системы обработки. И наоборот, система обработки и анализа должна учитывать особенности используемого аналого-цифрового преобразователя.

2. Способы решения задачи измерения и управления сложными техническими объектами

Задачи измерения и управления сложными техническими объектами в реальном времени в условиях непрерывно возрастающего уровня и разнообразия электромагнитных помех решаются построением интеллектуальных информационных систем контроля и управления [1]. Высокая сложность объектов контроля, состоящих из многих разнородных компонентов и использующих в процессе своего функционирования явления различной физической природы, приводит к наличию большого числа контролируемых параметров (в среднем более 1500 для летательных аппаратов (ЛА) и в несколько раз больше для наземных комплексов (НК)). Для эффективной работы ИИС с такими объемами разнородных данных необходимо иметь унифицированные АЦП, устройство первичной обработки и устройство передачи данных. Очевидно, что унифицированный АЦП должен иметь широкий диапазон изменения параметров преобразования и набор функциональных возможностей. Под функциональными возможностями в данном аспекте следует понимать автоматизированную адаптацию преобразователя к подавлению различных неинформативных составляющих преобразуемых сигналов (от внешних источников шумов), режимы самодиагностики и самокалибровки и т.д.

Решение данной задачи может быть найдено в классе интегрирующих АЦП (ИАЦП), обладающих рядом преимуществ перед другими видами АЦП:

1) улучшенными фильтрующими свойствами по отношению к периодическим внешним помехам, широкополосным внешним помехам со сплошным спектром, внутренним помехам (собственным шумам элементов схемы) [2];

2) возможностью осуществления высокоточного фазочувствительного детектирования сигналов переменного тока, выделения и высокоточного преобразования трендов (линейного, квадратичного и т.д.) входного сигнала [2].

В настоящее время известно достаточно большое число различных алгоритмов интегрирующего преобразования и методов повышения метрологических характеристик ИАЦП как алгоритмического, так и схемотехнического характера. Классификацию и подробную информацию можно найти в работах [2-4].

3. Анализ четырех составляющих погрешности преобразования

Преимущество комплексного подхода поясним на примере анализа четырех составляющих погрешности преобразования. Структура канала интегрирующего аналого-цифрового преобразования показа на рис. 1.

Щі)

ад

Выходной

код

<?о(0

Ч СН и, УУ

Рис. 1. Структура канала интегрирующего аналого-цифрового преобразования: СН их - схема нормировки канала входного сигнала; СН и0 - схема нормировки канала опорного напряжения; М - модулятор; ГТИ - генератор тактовых импульсов;

ЦФ - цифровой фильтр; УУ - устройство управления; вх

Входной сигнал, проходя через схему нормировки, преобразуется в модуляторе в цифровой промежуточный бинарный код, по которому в цифровом фильтре вычисляется значение цифрового эквивалента их с заданной разрядностью. Погрешности, ограничивающие точность получаемых результатов преобразования АЦП интегрирующего типа, по природе возникновения можно разделить на следующие группы:

1. Методические погрешности £,(0, вызванные несовершенством алгоритма преобразования. В зарубежной литературе данную погрешность ИАЦП принято называть шумом квантования [4].

2. Методические погрешности, связанные с переносом спектров в процессе преобразования. Процесс дискретизации входного сигнала сопровождается трансформацией его спектра, известной как явление переноса спектров, которая приводит к наложению высокочастотных (лежащих выше частоты преобразования) неинформативных составляющих сигнала на информативные. В качестве основных методов борьбы с этим явлением выступают фор-

мирование амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) канала преобразования входных сигналов и передискретизация [2, 4].

3. Погрешности, вызванные собственными шумами элементной базы. Для подключения каналов входного и опорного сигналов к аналогоцифровому модулятору необходимо использовать схемы нормировки, обеспечивающие согласование входных цепей с цепями модулятора по токам и напряжениям. Применяемые с этой целью схемные решения, имеющие собственные шумы элементной базы, добавляют неинформативные составляющие ex(^) и е0(0 во входной и опорный сигналы соответственно. Также собственные шумы имеют и элементы схемы модулятора еМ(0, которые также входят в результат преобразования. Методическую погрешность алгоритма преобразования и собственные шумы элементов принято рассматривать приведенными ко входу [2], другими словами, как сумму с входным сигналом (см. рис. 1).

4. Погрешности, вызванные влиянием внешних факторов. На работу преобразователя оказывают влияние различные внешние факторы, связанные с условиями эксплуатации, что в конечном итоге сказывается на точности получаемых результатов преобразования. Среди внешних факторов наиболее существенными можно считать временную стабильность источников питания и температурный режим работы.

Из проведенного анализа видно, что задача синтеза прецизионных АЦП с разрядностью более 20 двоичных разрядов является нетривиальной. Рассмотрим проблему минимизации влияния собственных шумов схем нормировки. Требования к схемам нормировки определяются областью применения, но в принципе можно выделить несколько основных: высокое входное сопротивление, низкие уровни токов, низкий температурный дрейф токов и напряжений и т.д.

4. Достоинства и недостатки схем автоматической коррекции

В настоящее время основным направлением повышения точности схем нормировки сигналов на основе операционного усилителя (ОУ), можно считать [5, 6] использование автоматической коррекции напряжения смещения. Рассмотрим особенности использования схем автоматической коррекции на примере современного инструментального усилителя фирмы AnalogDevices AD8555. Модель AD8555 разработана для измерительных систем на основе мостовой схемы, таких как системы измерения давления [5]. Данный инструментальный усилитель построен на трех операционных усилителях и имеет схему автоматической коррекции напряжения смещения. Технология автоматической коррекции за счет непрерывной коррекции ошибки усилителя по постоянному току снижает максимальную величину смещения до 10 мкВ в температурном диапазоне от минус 40 до плюс 125 °С, при этом величина дрейфа не превышает 65 нВ/°С. Подробно принцип работы усилителя с автоматической коррекцией нуля можно найти на сайте фирмы AnalogDe-\ices [5].

В качестве недостатков схемы производитель указывает наличие импульсных шумов на частоте внутреннего тактового генератора и ее гармониках, вызванных работой электронных ключей. Амплитуда этих шумов значительно превышает амплитуду собственных широкополосных шумов усилите-

ля, и они могут приводить к интермодуляционным искажениям сигнала, в результате чего на выходе усилителя появляются составляющие на частотах, равных сумме и разности частот сигнала и схемы компенсации. Следует отметить, что интермодуляционные и гармонические искажения имеют величину обычно от минус 100 до минус 130 дБ по отношению к полезному сигналу при замкнутой цепи обратной связи, это существенно хуже значений соответствующих точности в 20 двоичных разрядов. Следовательно, для подавления указанных искажений необходимо формировать АЧХ интегрирующего АЦП с учетом указанных искажений данной реализации схемы нормировки.

Кроме указанных недостатков, существуют погрешности, возникающие при использовании данной микросхемы в схемах. В реальных схемах шум, который создают элементы устройств при работе, широкополосный; для того чтобы понять его влияние на работу данной схемы, воспользуемся следующими рассуждениями. Предположим, что в данной микросхеме (Л.08555) используются идеальные операционные усилители, напряжение смещения которых равно нулю. Следовательно, необходимо учитывать только сигналы, вызванные указанными выше причинами. Работа схемы автоматической коррекции построена на запоминании периодических значений шумовой составляющей и последующем их вычитании из полезного сигнала. Из теории спектрального анализа известно, что широкополосный случайный процесс можно представить в виде бесконечной суммы элементарных гармонических составляющих. В процессе запоминания значений этих составляющих будет происходить перенос их спектральной мощности в область нулевых и низкочастотных значений частотной полосы (рис. 2). Таким образом, спектральные составляющие случайного процесса, кратные частоте коррекции, будут перенесены на нулевую частоту, т.е. появится постоянное смещение.

5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

3 Время, С

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Время, С

Рис. 2. Процесс дискретизации гармонических составляющих спектра сигнала

Следовательно, появляются дополнительные источники погрешности в схеме нормировки, занимающие полосу полезного сигнала, которые необходимо учитывать при дальнейшей обработке результатов преобразования, что накладывает ограничения на возможности информационно-управляющих систем, работающих в реальном времени, или при прогнозировании возникновения внештатных ситуаций [1].

5. Использование аппарата весового интегрирования для повышения точности схем нормировки

Другим известным [2] и, по мнению автора, более перспективным путем повышения точности не только схем нормировки, а ИАЦП в целом, является использование аппарата весового интегрирования. В частности, использование весовых функций (ВФ) вида, приведенного на рис. 3,а. Данный класс ВФ теоретически позволяет осуществить полное подавление постоянной и частичное подавление переменной составляющей сигнала. На рис. 3,б приведена АЧХ тракта преобразования (СН + ИАЦП), реализующего ВФ «+1; -1». Чтобы данный вид АЧХ относился к собственным шумам тракта преобразования, необходимо реализовать указанную на рис. 3,а ВФ в схеме нормировки сигналов.

+1 +1 +1

-1 I -1 -1

I +1 +1 +1 +1

-1 -1 -1 -ч |

То

То

То

Тп

=>

Тп

н>

а)

Тп

©

н>

Относительна частота V/ б)

Рис. 3. Весовые функции для подавления собственных шумов элементной базы: а - вид весовой функции во временной области; б - АЧХ весовой функции «+1; -1» при одном, двух и четырех слагаемых

Из рис. 3 видно, что, изменяя количество повторений базовой ВФ «+1; -1», можно варьировать коэффициент подавления канала преобразования. Таким образом, этот процесс можно рассматривать как решение задачи адаптации АЦП к собственным шумам. Адаптацию к внешним шумам можно получить использованием других видов ВФ из класса ступенчатых ВФ, описанных в [2].

Однако на данном пути также существуют серьезные ограничения. Достижение точности АЦП более 20 бит требует обеспечения задания точности весовых коэффициентов не хуже шести значащих разрядов. Проведенные исследования [7] показали, что, казалось бы, простая задача формирования в СН коэффициентов передачи «+1,00000 -1,00000» на самом деле является трудно решаемой на существующей элементной базе. Все существующие схемные решения ОУ и интегрирующих усилителей (ИУ), начиная с работы [8] и до рассмотренного выше А.08555, требуют наличия коммутирующих элементов во входной цепи и не обеспечивают инвариантности значений собственных шумов к значениям входного сигнала и схеме включения. В качестве примера на рис. 4 приведены соответствующие зависимости, полученные на имитационных моделях ОУ АВ795 в САПР ОЯСАБ.

♦ Схема инвертирующего включения  Схема неинвертирующего включения

1 .....

З-1

Я К

-6 -4 -2 Входное напр і 2 4 6 іжение, В

Рис. 4. Зависимости напряжения смещения ОУ АБ795 от входного напряжения

Из рис. 4 видно, что разброс значений напряжения смещения для исследованных схем включения доходит до 5 мкВ, а для входных напряжений -до 25 мкВ. Данный разброс войдет в значения задаваемых весовых коэффициентов [7].

Не менее сложные проблемы возникают и при реализации цифрового фильтра (см. рис. 1). Как правило, эти фильтры состоят минимум из двух каскадов, обеспечивающих поэтапное понижение частоты выходных (бинарных) данных модулятора до частоты преобразования АЦП, увеличивая длину выходного кодового слова с одного бита до заданной разрядности АЦП. Например, в ЕД-АЦП в качестве фильтров первого каскада широкое распространение получили фильтры с характеристикой вида 8тс (р), где р определяет по-

рядок фильтра [4, 7]. Во втором каскаде цифровой фильтр строится исходя из условий требуемого подавления составляющих выходящих за пределы полосы полезного сигнала [9]. Проектирование подобных цифровых фильтров для ИАЦП требует тщательного согласования промежуточных частот на этапах фильтрации, а также согласования с работой модулятора. В противном случае также может возникать перенос спектров составляющих сигнала.

Заключение

Из приведенных кратких примеров следует, что смысл комплексного подхода заключается в проведении тщательного анализа всех элементов и функциональных узлов преобразователя, определении степени их взаимодействия и влияния на конечный результат преобразования и только затем синтеза решений, обеспечивающих оптимизацию работы устройства в целом. Особую роль в этом процессе следует уделять обеспечению согласованности работы каждого функционального узла преобразователя с остальными. Верификацию эффективности разделения целевой функции между отдельными блоками преобразователя, а также верности принимаемых решений можно проводить на базе математических и имитационных моделей с последующим макетированием. При таком подходе процесс разработки принимает итерационный вид, где чередуются этапы анализа и синтеза с проверкой результатов на моделях различного типа. Использование комплексного подхода позволит получать эффективные решения задачи синтеза таких сложных устройств, как прецизионные АЦП, для областей ответственного назначения - ИИС РКТ.

Список литературы

1. Дмитриенко, А. Г. Системы контроля показателей качества электроэнергии распределенной энергосистемы космодрома : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Дмитриенко А. Г. - Пенза : Изд-во ПГТА, 2010. - 26 с.

2. Ш ахов, Э. К. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения / Э. К. Шахов, В. Д. Михотин. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

3. Ш ахов, Э. К. Преобразователи информации: классификация и динамические свойств / Э. К. Шахов // Датчики и системы. - 2000. - № 8. - С. 9-16.

4. Кестер, У. Аналого-цифровое преобразование : пер. с англ. / У. Кестер ; под ред. Е. Б. Володина. - М. : Техносфера, 2007. - 1016 с.

5. иКЬ: http://www.analog.com

6. Громков, Н. В. Интегрирующие развертывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления : моногр. / Н. В. Громков. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 244 с.

7. Куц, А. В. Реализация весового интегрирования в высокоточных интегрирующих АЦП / А. В. Куц, К. Ю. Пискаев, В. А. Юрманов // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. - 2010. -№ 5. - С. 157-165.

8. Хоровиц, П. Искусство схемотехники : в 2-х т. / П. Хоровиц, У. Хилл. - М. : Мир, 1981.

9. Ш ахов, Э. К. ЕД-АЦП: Процессы передискретизации, шейпинга шума квантования и децимации / Э. К. Шахов // Датчики и системы. - 2006. - № 11. -С. 50-57.

Кащеев Николай Александрович доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Научно-исследовательский институт космических систем имени А. А. Максимова - филиал Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева

Е-таЛ: niiks@khrunichev.com

Кузнецов Юрий Леонидович

доктор технических наук, инженер, конструкторское бюро «Салют»

Е-таП: niiks@khrunichev.com

Пискаев Кирилл Юрьевич

старший преподаватель, кафедра информационных технологий и систем, Пензенская государственная технологическая акдемия

Е-таЛ: rector@pgta.ru

Цуриков Юрий Александрович доктор технических наук, профессор, главный ученый секретарь, Государственный космический научно-производственный центр имени М. В. Хруничева

Е-таП: niiks@aprt.ru

Kashcheev Nikolay Alexandrovich Doctor of engineering sciences, professor, Senior staff scientist, Research Institute of Space Systems named after A. A. Maksimov - branch of “State Space Research and Production Center named after M. V. Khrunichev”

Kuznetsov Yury Leonidovich Doctor of engineering sciences, engineer, Design-engineering center “Salyut”

Piskaev Kirill Yuryevich Senior lecturer, sub-department of information technologies and systems, Penza State Technological Academy

Tsurikov Yury Alexandrovich

Doctor of engineering sciences, professor, chief scientific secretary, State Space Research and Production Center named after M. V. Khrunichev

УДК 621.3.087 Кащеев, Н. А.

Формирование комплексного подхода к разработке прецизионных аналого-цифровых преобразователей для информационно-измерительных систем ракетно-космической техники / Н. А. Кащеев, Ю. Л. Кузнецов, К. Ю. Пискаев, Ю. А. Цуриков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 151-159.