Функциональные цифро-аналоговые преобразователи с использованием сплайновой аппроксимации и калибраторы фазы на их основе

• Автор: Газизов, Азат Ахатович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 187 с. : ил.

Оглавление

Список условных сокращений

Введение
Глава 1. Функциональные цифроаналоговые преобразователи современное состояние, классификация, принципы построения

1.1 Принципы построения цифроаналоговых преобразователей.

1.1.1 Последовательный ЦАП с широтноимпульсной модуляцией

1.1.2 Параллельный ЦАП с суммированием весовых токов

1.1.3 Параллельный ЦАП на источниках тока.

1.1.4 Формирование выходного сигнала в виде напряжения

1.1.5 Параллельный ЦАП с суммированием напряжений.

1.1.6 Интерфейсы цифроаналоговых преобразователей

1.2 Функциональное цифроаналоговое преобразование
1.2.1 Классификация методов функционального цифроаналогового преобразования.
1.2.2 Цифровые методы функционального преобразования
1.3 Гибридные методы преобразования.
1.3.1 Функциональные ЦАП с использованием ступенчатой аппроксимации
1.3.2 Функциональные ЦАП с использованием кусочнолинейной аппроксимации
1.3.3 Функциональные ЦАП с использованием дробнорациональной аппроксимации.
1.3.4 Функциональные ЦАП с использованием полиномиальной аппроксимации
1.4 Применение функциональных ЦАП.
1.4.1 Модуль сигнального процессора с функциональными ЦАПАЦП
1.4.2 Калибратор фазы на синуснокосинусных функциональных ЦАП с кусочнолинейной аппроксимацией
1.4.3 Мостовой калибратор фазы.
Выводы по первой главе и постановка задач исследования
Глава 2. Применение сплайновой аппроксимации для построения функциональных ЦАП
2.1 Структурная схема функциональною ЦАП с использованием сплайновой аппроксимации.
2.1.1 Аппаратная реализация способа сплайновой аппроксимации.
2.1.2 Структурная схема функционального ЦАП, содержащая цифровые поте щиометры.
2.1.3 Структурная схема функционального ЦАП без резисторов нестандартных номиналов
2.2 Теория сплайнов
2.2.1 Понятие о кубическом сплайне.
2.2.2 Естественный кубический сплайн.
2.2.3 Кубический сплайн с краевыми условиями по первой или второй производной
, 2.2.4 Сплайновая аппроксимация в среде .
2.3 Моделирование функциональных ЦАП в среде i.
2.3.1 Описание моделей в системе i 7.
2.3.2 Модель функционального ЦАП.
2.3.3 Результаты моделирования.
Выводы по второй главе
Глава 3. Экспериментальные исследования функциональных ЦАП, использующих сплайновую аппроксимацию.
3.1 Функциональная и принципиальная схемы функционального ЦАП
3.1.1 Схема электрическая функциональная.
3.1.2 Изготовление экспериментального образца функционального ЦАП.
3.1.3 Тестирующая программа.
3.2 Результаты исследований
3.2.1 Лабораторная установка I VI.
3.2.2 Виртуальный прибор для исследования функционального ЦАП
3.2.3 Исследование статических погрешностей.
3.3 Функциональные ЦАП на основе микроконтроллеров
3.3.1 Описание микроконтроллера АТтеав фирмы Айпе1.
3.3.2 Программа вывода гармонического сигнала на линейный ЦАП
3.3.3 Анализ гармонического сигнала с выхода линейного ЦАП
3.3.4 Программа для вывода треугольного сигнала на функциональный ЦАП.
3.3.5 Анализ гармонического сигнала с выхода функционального ЦАП 8 Выводы по третьей главе.
Глава 4. Применение функциональных цифроаналоговых преобразователей для построения калибраторов фазы
4.1 Калибратор фазы на базе синуснокосинусных преобразователей с полиномиальной аппроксимацией.
4.2 Калибратор фазы на базе синуснокосинусных преобразователей,
использующих сплайновую аппроксимацию.
Выводы по четвртой главе.
Заключение
Список используемых источников
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Список условных сокращений
АЛУ арифметическологическое устройство.
АЦП аналогоцифровой преобразователь.
ЕМР единица младшего разряда.
ИМС интегральная микросхема.
ИОН источник опорного напряжения.
КЛА кусочнолинейная аппроксимация.
КФ калибратор фазы.
МЗР младший значащий разряд.
МОП металокисел полупроводник.
ОУ операционный усилитель.
СЗР старший значащий разряд.
УВХ устройство выборки и хранения.
ЦАП цифроаналоговый преобразователь.
ШИМ широтноимпульсная модуляция.
ЭДС электродвижущая сила.
ЭСЛ эмиттерносвязанная логика.
МС7 i 7.
Введение
Актуальность


Структурная и функциональная схемы функционального ЦАП, использующего каскадное включение линейных ЦАП для реализации сплайновой аппроксимации, и результаты теоретических исследований предложенного ЦАП, показавшие снижение методических погрешностей по сравнению с аналогичными решениями. Математические модели функциональных ЦАП с использованием онлайновой аппроксимации и калибраторов фазы на их основе. Методика проведения эксперимента и полученные результаты, позволившие подтвердить правильность первоначальных теоретических исследований. Методы исследований. В диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленной задачи использовались методы теоретической электротехники, разделы высшей математики теория степенных рядов, теория интерполяции, среднеквадратичные приближения, теория сплайнов. При составлении компьютерной модели и проведении вычислительного эксперимента использовались методы математического описания электрических схем, теории электрических цепей и методы статистической обработки результатов. При проектировании основных узлов аппаратной части функционального ЦАП применялись основы теоретической электротехники, электроники, основы информатики, цифровой и вычислительной техники, информационноизмерительной техники, теория цифровой обработки сигналов. Практическая реализация осуществлена путм компьютерного моделирования, создания алгоритма и программного обеспечения для проверки работоспособности и анализа характеристик функционального ЦАП. Программа для автоматизации эксперимента была написана на графическом языке программирования в среде ЬаЬУГЕХУ. Ввод и вывод информации осуществлен программными средствами, предоставляемыми драйверами БЛСтх. V, , i. Публикации. По результатам научных исследований опубликовано печатных работ, из которых 5 статей в центральной печати, одна статья переведена и опубликована в зарубежной печати. ВАК РФ. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырх глав основного текста, заключения, списка литературы из 7 наименований. Общий объм 2 страницы. В работе имеются иллюстраций и таблиц. Глава 1. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Иногда ег о называют преобразователем коданалог. Схемотехника цифроаналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке 1. ЦАП по схемотехническим признакам. Рисунок 1. Рассмотрим основные схемотехнические принципы построения ЦАП. Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифроаналоговое преобразование может быть осуществлено с помощью широтноимпульсной модуляции ШИМ. Схема ЦАП с ШИМ приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Наиболее просто организуется цифроаналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтноимпульсного преобразования например, АГ5 фирмы А1те1 или ССВ фирмы 1те1. Выход ШИМ управляет ключом 5. В зависимости от заданной разрядности преобразования для контроллера ЛТ5 возможны режимы 8, 9 и бит контроллер с помощью своего таймерасчетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых уСиГ определяез ся соотношением
, 1. О преобразуемый код . Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов за исключением источника опорного напряжения. Основной е недостаток низкое быстродействие по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифроаналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения. Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем суммироваться должны только токи разрядов, значения которых равны 1 , . Следовательно, требуется, чтобы схема обеспечивала генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рисунке 1. Рисунок 1.