高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法研究_刘湘君.pdf

第 25 卷 第 1 期重庆科技学院学报(自然科学版)2023 年 2 月高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法研究刘湘君唐 升刘玉洁姜 源(珠海城市职业技术学院，广东 珠海 519090)收稿日期:2022 06 07基金项目:广东省普通高校重点领域专项(乡村振兴)项目“基于人工智能技术的智慧水产养殖系统”(2020ZDZX1077);珠海城市职业技术学院校级科研课题(自然科学类)“基于 ATE 的 ADC 测试方案研究与实现”(KY2021Y03Z)作者简介:刘湘君(1976 )，女，讲师，研究方向为集成电路测试、电子技术及其应用等。摘要:为避免模数转换器数字输出信号出现明显的滞后现象，实现对信号传输误差的有效弥补，提出了高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法。基于增益误差、失配误差、采样误差等 3 个指标，分析高精度模数转换器通道之间的主要时间误差参量。根据过零点数量，求解增益失配系数，确定动态校准指标数值，进而完成对时间误差参量的实时校准。对比实验结果表明，与 TIADC 时间误差校准算法相比，高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法能够实现对信号传输误差的有效补偿。关键词:模数转换器;高精度通道;时间误差校准;过零点;增益失配系数中图分类号:TN47文献标识码:A文章编号:1673 1980(2023)01 0099 060前言模拟数字转换器简称模数转换器，是指可以将模拟输入信号转变为数字输出信号的电子应用元件。由于数字信号参量仅具有相对性数值，因此模数转换器输出的信号文本不具有实际意义。在电力系统及其网络体系等应用环境中，每个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换标准，以调节模拟输入信号与数字输出信号之间的 数 值 配 比 关系1 2。模数转换器提取模拟信号遵循等间隔采样标准，当模拟信号进入传输电路后，主机元件按照既定标准对其进行排序处理，且随着信号处理指令的不断运行，数字信号输出波段呈现逐次收敛的状态;当模拟输入信号波长与数字输出信号波长完全相等时，主机元件默认提取一个信号周期。从最初的单个电子管发展到现在的超大规模集成电路，数字电路体系已经具备抗干扰能力强、功耗低等优势，这也是模数转换器得到广泛应用的主要原因3。在模拟电路发展过程中，如何解决电路元件之间的集成关系，使模拟输入信号快速转变为数字输出信号，已经成为亟待解决的问题。传统的TIADC 时间误差校准算法在求解传输信号参量之间迭代补偿关系的同时，减少了电量误差调配行为出现的概率，从而实现对整个电力网络体系的全局调控4。但该方法不能较好地解决模数转换器的滞后性传输问题，在补偿信号传输误差方面的应用能力相对有限。为避免上述情况的发生，设计了一种新型的高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法。1高精度模数转换器通道之间的时间误差高精度模数转换器通道之间的时间误差主要由增益误差、失配误差和采样误差等 3 个部分组成。11增益误差增益误差决定着模拟输入信号在高精度模数转换器通道之间的传输变形能力。对于模数转换器而99DOI:10.19406/ki.cqkjxyxbzkb.2023.01.004刘湘君，等:高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法研究言，只有在稳定控制增益误差的前提下，才能保证模拟输入信号稳定传输。在选取转换对象时，可以根据增益误差的取值，调节模拟输入信号与数字输出信号之间的实值配比关系5 6。一般来说，若增益误差值无限趋近于自然数 1，则表示模拟输入信号与数字输出信号之间的实值配比误差相对较小。利用模数转换器获取模拟输入信号时，噪声功率的定义如式(1)所示:Q1=2+=11+22(p)2Q1=Q2(1)式中:Q1表示 1定频条件下的噪声功率;Q2表示2定频条件下的噪声功率;1、2表示 2 个随机选取的输入信号定频系数;表示功率增益的初始赋值;表示输入信号辨识系数;p 表示模拟信号输入特征。在式(1)的基础上，联合信号转换度量系数均值?e，则高精度模数转换器通道之间增益误差的计算如式(2)所示:W1=Q212(?e21+?e22)W1=W2(2)式中:W1表示 1定频条件下的增益误差;W2表示2定频条件下的增益误差;?e1表示 1定频条件下的信号转换度量系数均值;?e2表示 2定频条件下的信号转换度量系数均值。由于校准高精度模数转换器通道之间的时间误差系数时，不对增益误差设置取值标准，因此 1与2存在相等的可能性。12失配误差失配误差决定着模数转换器对高精度模拟输入信号的处理能力。在转换通道保持连续闭合的情况下，电力系统可以根据失配误差的取值，判断当前所选输入信号是否能够满足转换处理指令的执行要求7。在校准时间误差系数时，失配误差值越大，模数转换器对高精度模拟输入信号的处理能力越强。设 n 为高精度模拟输入信号计数参量的最大取值;i1，i2，in表示 n 个不同的模拟输入信号配比参量，且 in 0。待校准时间误差的失配配比条件如式(3)所示:=n11+=1(i1+i2+in)(3)式中:表示待校准时间误差的失配配比条件;表示失配转换指令执行系数;表示模拟输入信号筛选精度指标的初始赋值。高精度模数转换器通道之间失配误差的计算如式(4)所示:I=lgyT(4)式中:I 表示失配误差;表示模拟输入信号标度值;y 表示待处理的模拟信号特征值;表示转换通道闭合系数;T 表示模数转换器对于高精度模拟输入信号的处理周期。与增益误差相比，失配误差对模拟输入信号的约束力更强。对于模数转换器而言，失配误差在校准时间误差时具有更大的参考价值。13采样误差采样误差决定着模数转换器对数字输出信号的处理能力。与增益误差、失配误差相比，在对时间误差系数进行校准处理时，采样误差的计算不要求模拟输入信号的表现形式，且在建立转换执行指令时，待处理误差参量的取值越大，采样误差的实际数值越大8 9。数字输出信号如式(5)所示:u1=Po1u2=Po2un=Pon(5)式中:u1，u2，un表示数字输出信号;表示信号转换指令执行系数;P 表示转换指令执行向量;o1，o2，on表示数字输出信号精度值判别参量。在求解采样误差时，要注意误差系数校正基向量之间的数值配比关系。高精度模数转换器通道之间采样误差的计算如式(6)所示:S=fu1u2un+lg1+2+n1 2 ()n(6)式中:S 表示采样误差;f 表示数字输出信号的分布取值系数;表示信号参量在高精度模数转换器通道之间的传输效率;1，2，n表示时间误差系001刘湘君，等:高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法研究数量化残差值。为实现对时间误差系数的全面校准，应在建立计算表达式的同时考虑增益误差、失配误差、采样误差等 3 个指标参量。2误差校准技术21过零点统计过零点是指在高精度模数转换器通道之间，数字输出信号时间误差取值为零时的横向校准坐标数值。通常情况下，数字信号的输出量越大，过零点的数量越多。此时，为得到准确的时间误差校准结果，对可能被标记为过零点的坐标数值进行统计，并根据具体计算结果，协调信号参量之间的转换关系10 11。过零点统计原则如图 1 所示。图 1过零点统计原则图 1 中存在 4 个可能被标记为过零点的坐标节点，节点 1(X1)与节点 2(X2)之间的间隔距离为 L1，节点 2 与节点 3(X3)之间的间隔距离为 L0，节点 3与节点 4(X4)之间的间隔距离为 L2。联立上述物理量，得到高精度模数转换器通道之间时间误差系数的过零点统计表达式，如式(7)所示:X=L0Y21 Y22X1+X2+X3+X4L1+L2(7)式中:Y1表示数字输出信号的正向波峰值;Y2表示负向波谷值。由于可能过零点与真实过零点之间不一定完全对应，因此过零点的统计表达式可能等于零，即可能过零点与真实过零点并非完全对应关系。22增益失配系数计算模型针对同一频率时间误差参量采样时，高精度模数转换器通道之间输出信号波动幅值的表现情况应该一致，但由于过零点的数量不固定，为使时间误差校准结果更加贴合实际应用需求，整合现有已知条件，对增益失配系数进行求解12。增益失配系数是指存在于高精度模数转换器通道之间的输出信号增益失配误差。一般来说，若过零点的数量较小，则增益失配系数相对较小;若过零点的数量较大，则增益失配系数相对较大;若在时间误差校准区间内不存在明确的过零点，则增益失配系数等于零13。随机选取 2 个模拟输出信号波动向量，且其在高精度模数转换器通道之间的传输方向一致。增益失配系数的计算如式(8)所示:=W1 I SX+=1(d12 d22)(8)式中:d1、d2表示 2 个随机选取的模拟输出信号波动向量，d1 d2;表示时间误差校准系数的初始取值;表示模拟输入信号的初始转换权限。在求解增益失配系数时，要求 d1、d2必须同时大于自然数 1。23动态校准指标求解动态校准指标决定着高精度模数转换器对传输信号的处理能力。在完善时间误差校准算法时，以该项指标参量为基础，既可以避免增益失配系数出现过量求解的情况，也可以拉近真实过零点之间的间隔距离14 15。求解动态校准指标时，要求时间误差标记向量的取值结果不得小于零。高精度模数转换器通道之间时间误差标记向量 l 的计算如式(9)所示:l=JF+=1 h()c22(9)式中:J 表示模拟输入信号的频率占比系数;表示频度分布系数;F 表示模拟输入信号的频度特征;表示频率参量的初始赋值;表示数字信号的输出密度;h表示时间误差系数的积分向量;c 表示传输信号转换系数。动态校准指标的计算如式(10)所示:K=+z=1m1m2BlC(1 2)(10)式中:K 表示动态校准指标;m1、m2表示2 个随机选取的数字输出信号波段系数，m1 m2;z 表示传输101刘湘君，等:高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法研究信号的校准误差值;B 表示时间误差在高精度模数转换器通道之间的单位累计量;C 表示数字输出信号带电量;表示数字输出信号的电量等级系数。在不考虑其他干扰条件的情况下，联合上述变量指标，实现高精度模数转换器通道之间的时间误差校准。高精度模数转换器通道之间的时间误差校准流程如图 2 所示。图 2高精度模数转换器通道之间的时间误差校准流程3实验结果分析高精度模数转换器的数字信号传输滞后性可以反映出其校准方法对于信号传输误差的补偿性能。若数值信号输出量保持不变，则认为传输滞后性水平较高，其校准方法对信号传输误差的补偿处理能力较弱;反之，若数字信号的传输滞后性相对较弱，则其校准方法对信号传输误差的补偿处理能力较强。本次实验选取频率为 50、100、150、200、250、300 Hz 的 6 种数字信号进行测试，数字信号初始传输时间如图 3 所示。由图 3 可知，随着信号频率的增大，数字信号初始传输时间呈现出不断增加的趋势。其中，频率为50 Hz 的数字信号初始传输时间最短，仅为 1 0 105s;频率为300 Hz 的数字信号初始传输时间最长，为 1 5 105s。在其他干扰因素始终保持一致的情况下，对高精度模数转换器通道之间的时间误差校准算法(实验组)与 TIADC 时间误差校准算法(对照组)进行对比实验。分别对模数转换器输出的数字信号进行校准处理，实验参数设置如表 1 所示。图 3数字信号初始传输时间表 1实验参数设置编号参数说明1模数转换器AD7193BUZ EEL 型2模拟信号传输频率50 300 Hz3数字信号传输频率50 300 Hz4信号波动周期001 s5信号占比1156模拟信号波长033 mm7数值信号波长031 mm8波段间隔0005 s9信号转换精度90%由数字信号传输时间测试结果(见图 4)可知，随着信号频率的增大，实验组和对照组的数字信号传输时间均呈现出不断增加的趋势。当信号频率为50 Hz 时，实验组数字信号传输时间最短为 0 96 105s，对照组数字信号传输时间最短为 0 70 105s，二者差值为0 26 105s。当信号频率为300 Hz 时，实验组数字信号传输时间最长为 1 40 105s;对照组数字信号传输时间最长为 1 10 105s，二者差值为 0