ФОНОВАЯ КАЛИБРОВКА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к калибровке аналого-цифровых преобразователей (АЦП), и может быть использована в АЦП последовательного приближения для уменьшения статических и динамических ошибок преобразования аналогового сигнала.
Уровень техники
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявленному техническому решению является калибровка АЦП последовательного приближения, основанная на возмущении ([1]. Wenbo L., Pingli Η., Yun Ch. A 12-bit, 45-MS/s, 3-mW Redundant Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital Converter With Digital Calibration // IEEE - 2011. - Vol. 46, P. 2661 - 2672; [2]. Chao C, Qian Y., Zhangming Z. A background digital calibration of split-capacitor 16-bit SAR ADC with sub-binary architecture // Microelectronics Journal - 2015. - Vol. 46, P. 795-800), в котором используется дополнительный конденсатор в емкостном цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) для задания возмущения и адаптивный фильтр для компенсации ошибки преобразования.
Недостатком способа калибровки является уменьшение динамического диапазона АЦП из-за введения возмущения; по краям выходного кода появляются нелинейные искажения, увеличивающие статические и динамические ошибки.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к улучшению технических характеристик АЦП.
Улучшение технических характеристик заключается в уменьшении интегральной и дифференциальной нелинейностей и увеличении эффективной разрядности, увеличении динамического диапазона выходного кода.
Технический результат достигается тем, что ошибка на входе адаптивного фильтра вычисляется между прямым и обратным преобразованиями, и выходной код определяется как среднеарифметическое между найденными преобразованиями с подстройкой по усилению для компенсации разброса весовых коэффициентов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя с фоновой калибровкой.
На фиг. 2 приведена функциональная электрическая схема адаптивного фильтра.
На фиг. 3 приведены результаты моделирования АЦП с фоновой калибровкой.
На фиг. 4 приведены результаты моделирования АЦП без фоновой калибровки. Осуществление полезной модели
Фоновая калибровка АЦП последовательного приближения содержит схему сравнения 1, блок захвата аналогового сигнала 2, ЦАП 3 с уменьшенным основанием системы счисления, регистр 4 прямого преобразования, регистр 5 обратного преобразования, блок управления 6, адаптивный фильтр 7, блок корректировки выходного кода 8, блок умножения 9 для вычисления прямого кода, блок умножения 10 для вычисления обратного кода.
Фоновая калибровка АЦП последовательного приближения работает следующим образом.
вх
вх
вх
Преобразование АЦП последовательного приближения начинается с фазы выборки блоком захвата аналогового сигнала 2 некоторого напряжения u (фиг. 1). Затем последовательно разрешается прямое преобразование, начиная со старшего разряда. На вход ЦАП 3 поступает код 100..000, схема сравнения 1 определяет знак («1» - в случае, если u больше напряжения ЦАП, иначе - «0»), инвертированное значение записывается в старший разряд регистра. Потом в зависимости от результата схемы сравнения 1 блоком управления 6 разрешается следующий бит, на вход ЦАП 3 поступает код либо 010..000 в случае «1», либо 110..000 в случае «0». Операция выполняется до тех пор, пока не разрешится последний бит.Полученная битовая последовательность записывается в регистр 4 прямого преобразования. Далее разрешается обратное преобразование. На вход ЦАП 3 поступает код 011..111, схема сравнения 1 определяет знак («1» - в случае, если u больше напряжения ЦАП, иначе - «0»), инвертированное значение записывается в старший разряд регистра. Потом в зависимости от результата схемы сравнения 1 блоком управления 6 разрешается следующий бит, на вход ЦАП 3 поступает код либо 001..111 в случае «1», либо 101..111 в случае «0». Операция выполняется до тех пор, пока не разрешится последний бит. Полученная битовая последовательность записывается в регистр 5 обратного преобразования. После получения прямого и обратного преобразований, вычисляется прямой и обратный коды с помощью блоков умножения 9 и 10 соответственно:
,
di
ri
i
где b, b - биты прямого и обратного преобразования, W - весовые коэффициенты.
Весовые коэффициенты необходимые для вычисления прямого и обратного кодов блоками умножений 9, 10 определяются адаптивным фильтром (2), как:
,
w
Δ
где μ, μ - коэффициенты приращения, выбираемые эмпирическим путем для осуществления сходимости калибровки. Функциональная электрическая схема адаптивного фильтра представлена на фиг. 2. Блок корректировки выходного кода 8 выполняет следующее математическое преобразования:
,
где N - разрядность АЦП,  - сумма весовых коэффициентов.
Для получения технического результата необходимо, чтобы ЦАП 3 (фиг. 1) имел систему счисления с уменьшенным основанием.
MSB
LSB
B
X
w
Δ
-11
-4
Работу устройства рассмотрим для случая фоновой калибровки 12-битного АЦП последовательного приближения на переключаемых конденсаторах с разделяющей емкостью. Пусть относительный номинал емкостей старшего массива C = [98,5 53,5 29 5,5 8,5 4,5 2,5 1,5 1], относительный номинал емкостей младшего массива C = [9.5 5 2.5 1.5 1 0.5 0.5], относительный номинал разделяющей емкости C = 2, относительный номинал фиктивной емкости C = 15,5, весовые коэффициенты W = [1871,5 1016,5 551 294,5 161,5 85,5 47,5 28,5 19 9,5 5 2,5 1,5 1 0,5 0,5], среднеквадратичное отклонение нормального распределения номиналов емкостей σ = 0,8%, коэффициенты приращения μ = 2, μ = 2.
INL,max
INL,min
DNL,max
DNL,min
min
После 100 забросов максимальная и минимальная ошибки интегральной и дифференциальной нелинейности составили ε = 0,46 LSB, ε = -0,55 LSB, ε = 0,78 LSB. ε = -0,70 LSB (Фиг. 3), a минимальная эффективная разрядность ENOB = 11,64 эффективных бита. Измерение статических характеристик проводилось с помощью медленного линейно нарастающего сигнала на входе АЦП.
Следует заметить, что после завершения калибровочного процесса, не наблюдается значительного увеличения (больше 1 LSB) ошибок интегральной и дифференциальной нелинейностей по краям выходного кода (фиг. 3). Максимальное и минимальное значение интегральной и дифференциальной нелинейностей, изображенные пунктирной линией, а также типичное измерение ошибок до калибровки показаны на фиг. 4.
Таким образом, предложенная фоновая калибровка АЦП последовательного приближения позволяет устранить недостаток калибровки аналога-прототипа, связанный с увеличением интегральной и дифференциальной ошибок и уменьшением эффективной разрядности по краям выходного кода, то есть имеет место улучшение технических характеристик АЦП.