Нужна помощь зала.
Прорабатывается узел АЦП для переносного медицинского прибора. Нужно на частоте дискретизации 1 МГц иметь 16 достоверных разрядов (15 + знак).
Допустим, прибор создан, а в компьютере есть массив непрерывного промера входного сигнала на длительности 10 секунд.
Какими методиками, а также приборами пользоваться, чтобы проверить и подтвердить конкретные характеристики АЦП?
Поделитесь опытом!

Пардон, но все характеристики на АЦП указаны в документации и проверять их не нужно (Да и не сможете, денег не хватит). Если Вам мало, посмотрите схему и разводку EVM для данного АЦП. Вообще, если Вы разрабатываете прибор, то у него должно быть либо МТТ (медико-технические требования), либо проект ТУ, в соответствии с которым у Вас есть нормируемые технические параметры. Их то и нужно проверять. Сначала скажите, какие технические характеристики Вы собираетесь нормировать, величины, диапазоны (например, если речь идёт о регистрации входного сигнала с электрического фантома биообъекта, то нужна схема фантома, а уже дальше нормировать полосу аналогового сигнала, точность измерения и минимальное отношение С/Ш). Далее можно уже будет прикинуть методику проверки заявленных параметров и соответствующий инструментарий.

Узел АЦП имеет: входной каскад, схемы сдвига и согласования, сам АЦП, далее FPGA, накопительное ОЗУ и узел выдачи в комп через USB. Все это должно оцифровать сигнал с полосой до 500 кГц, в диапазоне минус 1 В ...плюс 1 В с частотой дискретизации 1 МГц с точностью полных 16 бит. Далее накапливать массивы в ОЗУ, а потом из ОЗУ, но уже а нереальном масштабе, выгружать в комп.
Вникать в работу всего медицинского прибора нет смысла: работа в целом исследовательская, сложная, а в ней требуется пока узел АЦП, остальное делают другие.

Заказчик вправе не поверить, что достигнута заявленная точность узла АЦП. Это может грозить не выплатами, и еще хуже, возвратом всего потраченного (....). То, что чип АЦП сам из себя такой продвинутый, его конечно интересует, но ему нужны требуемые характеристики всего узла в сборе.
По этому вопрос по прежнему тот же:
Какими методиками, а также приборами пользоваться, чтобы проверить и подтвердить конкретные (заявленные) характеристики всего узла АЦП?
Кто сталкивался или имеет дельные соображения, поделитесь опытом.


"...если речь идёт о регистрации входного сигнала с электрического фантома биообъекта.."
возможно так.

Подаете на вход АЦП белый шум.
На выходе, в коде вы должны получить нормальное(Гаусово) распределение,
т.е. считаете в вашем вых. массиве сколько ноликов, +1, - 1, +2, -2 и т.д.
и строите график распределения вероятностей.

Можно попробовать такую вот схемку. Нужны три идентичных ЦАПа (или с заранее промеренными отличиями). ЦАП1 формирует из цифры испытательный сигнал для подачи на испытуемый АЦП, ЦАП2 формирует такой же сигнал, но с учетом задержки на преобразование в АЦП.
Выход АЦП подключен на вход ЦАП3. Выходы ЦАП2 и ЦАП3 подаются на дифференциальные входы прецизионного ОУ, коэффициент усиления
которого нужно посчитать для удобства наблюдения на осциллографе, не забывая при этом об уменьшении усиления в полосе. Сигнал на выходе
ОУ - сигнал погрешности АЦП.

На мой взгляд простейший (и самый правильный ) способ обратиться в ближайший центр метрологии и стандартизации и, заплатив денежку, получить от них заключение по метрологическим характеристикам Вашего конкретного АЦП. Из приборов для начала - подходящий калибратор прошедший поверку. Ну и, соответственно, согласованную с Вашим заказчиком методику испытаний узла АЦП. ИМХО 0,03% на 500 кГц - тяжело..

Спасибо за дельные советы!

К MaxPIC
Хорошо бы найти правильные и проверенные методики, что бы включить их в ТЗ, до того как начнется разработка.
EVB , это само собой, его придется копировать.

К domowoj
Слышал, что называется краем уха, о методе проверке узлов АЦП белым шумом. Но насколько данный метод достаточен и что он позволяет однозначно проверить? На каких длительностях (выборках) это надо делать и какие требования к генератору шума, как его калибровать? Не совсем ясно, почему нужно считать нолики. Можно ли где-то почитать о методе в целом?

К elsab
Интересный эвристический метод. Но для него, кажется, должны быть идеальные условия, включая активные фильтры после каждого ЦАП, а потом полезут шумы от источников питания этих ЦАП и фильтров. Кто-то еще реально использует данный метод?

К Vishv
Таких продвинутых метрологов рядом нет, да и Заказчик с ними дело иметь, думаю, не захочет. Нужна методика понятная и разработчикам и Заказчику. И найти ее надо до подписания ТЗ.

Зал тут вряд ли поможет.
Вам нужно вытянуть из заказчика - какие параметры для него важны, а какие несущественны и согласовывать методики с ним.
В качестве основы берите дэйташит на АЦП и идите с ним к заказчику.
Как главный аргумент против заказчика используйте стоимость создания (и оплаты заказчиком ) соответствующих измерительных стендов.
Я когда-то давно согласовал с заказчиком (военпредом) измерение дифференциальной нелинейности АЦП визуальным методом через равную вероятность появления соседних отсчетов АЦП по яркости на экране осциллографа (у АЦП были и последовательный и параллельный выходы).

Лет 20 назад, при разработке АЦП 8р+зн, 20МГц, для проверки дин. паметров перепробовали
кучу методов[3]. Сдавать заказчику(военным) по таким методикам - это закат солнца вручную,
мы их просто обманули, проверяли(предъявляли) только статические параметры, а динамика, мол, обеспечивается
хар-ками МС АЦП, но для себя все же проверяли и настраивали выше описанным методом(в литературе не встречал).

А генератор шума - стандартный , покупной(марки не помню),
ограничивали полосу шума до полосы предполагаемого вх. сигнала, уровень шума регулировался
с вых. генератора набором аттенюаторов.

А нулевой код - как же без него.

Книжки старые, но все доходчиво.

1.Федорков Б.Г., Телец В.А., Микросхемы ЦАП и АЦП : функционирование, параметры,применение. М.: Энергоатомиздат, 1990, 320 стр.

2.Бахтиаров Г. Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. M.: Советское радио / под ред. Бахтиарова Г. Д., 1980, .. стр.

3. Марцинкявичус А.-И. К., Багданскис Э.-А.К., и др., Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП. М.: Радио и связь / под общ. ред. Марцинкявичуса А.-И. К., Багданскиса Э.-А.К., 1988, 222 стр.

1) Уровень собственных шумов можно проверить замкнув на разъеме вход АЦП на землю. Это хорошо показывает качество разводки, шумов по питанию и опорному сигналу.
2) Для получения динамических характеристик подайте на вход синусоидальный сигнал максимальной амплитуды, а массив полученных данных обработайте ДПФ. По полученому спектру можно оценить характеристики АЦП.

Это было бы полбеды , если промерять SFDR , ENOB , собственный шум в LSB, и свободное от шумов количество разрядов.
Но ягодки будут когда заказчик захочет :

Это просто атас. биты без шумов можно обеспечить, если сильно сильно постараться , а вот точность 1 вольта скажем на частоте 200-400кГц - практически невозможно.

Serhiy_UA, ищите в инете книжку и прочтите для пользы дела
Уолт Кестер "Аналого-цифровое преобразование" 2007

А погрешность ЦАПов куда делась? Если ЦАПы идентичные (или с заранее промеренными отличиями), это ещё не значит, что они идеальные.

Ну, на мой взгляд, особой "продвинутости" метрологам в данном случае не нужно.
На вскидку методику можно предложить такую:
1. Берете лучший из доступных генераторов (в идеале калибратор, например Н4-7)
2.Оцифровываете его сигнал с помощью Вашего АЦП.
3.Загоняете результаты в Exel.
4.Там же строите идеальный сигнал по уставкам генератора.
5. Сравниваете два ряда полученных данных.
6. Повторяете п.2-п.5 на согласованных с Заказчиком частотах.
7. Бодаетесь с Заказчиком по результатам всего вышеперечисленного.

PS. Интересный у Вас Заказчик - не хочет с метрологами дела иметь..

имхо, у Н4-7 , погрешность амплитуды 10^-4 и коэффициент гармоник 5*10^-4 на диапазоне 100кГц при Uвых= 2Вольта. Это не влезает в требуемую "точность полных 16 бит" В нескольких младших битах будут разночтения.

Еще раз спасибо всем, кто откликнулся!

К alexkok
Основной параметр – получить достоверных 16 бит на 1 МГц (возможно послабление до 15 бит). Методика должна подтвердить это. Плата будет в экране и питается от аккумулятора. Кроме чипа АЦП на плате импульсный преобразователь, фильтры, несколько ОУ, FPGA и большой накопитель памяти. По этому, ссылка на дэйташит это необходимое, но еще не достаточное условие. Все вместе должно выдать основной параметр. По дифференциальной нелинейности - интересно узнать и разобраться в Вашем методе с осциллографами. Заказчик хоть и медик, но тертый мужик, будет докапываться до всех тонкостей

К domowoj
Спасибо за ссылки на книги. Но суть Вашего метода пока не ясна. Хотелось бы узнать больше.

К AndruB
Большое спасибо, может быть этот метод все и решит. Придется повозиться, но в этом методе вроде бы все, что нужно. Ценное замечание!

К tay
Книгу Уолта Кестера вчера скачал, пытаюсь осилить.

К Vishv
Тоже очень ценный метод. Все ясно и просто. Спасибо!!!
Только вот как правильно выбрать длины выборок для сравнения?

К tay, повторно.
Здесь уже можно «напрячь» Заказчика точностью измерительного эталона. Но в целом метод как бы работает, вроде все логично!
Так?

Я уже писал, что Вам нужно выяснить у заказчика что такое "достоверных 16 бит на 1 МГц".
По шумам и помехам, по SFDR или по абсолютной погрешности, но последнее Вы вряд ли сможете измерить.
А уже затем выбирать методику и согласовывать её с заказчиком.

Для 16 бит АЦП это не актуально имхо, слишком большие шумы.
Суть методики в том что постоянное напряжение на входе устанавливается таким что частота появления кодов превышающих данное напряжение равна частоте кодов для равного и меньших напряжений (напряжение перехода). Отличие разности напряжений для двух соседних кодов и будет дифференциальной нелинейностью. Я этот метод позже доработал - использовал дешифратор последних трех разрядов и частотомер.

По моему мнению, Вам нужно немного переставить акценты в разговоре с заказчиком. Нужно обсуждать не точность и разрядность АЦП, а определить реальные физические величины, которые будет измерять прибор, и требования к точности их измерения. А затем, выработать методику проверки правильности работы прибора. Все это и нужно внести в ТЗ.
Когда разрабатывали медицинские тонометры, то проверяющего (принимающего) интересовали только показания проверяемого прибора на специальном стенде во время испытаний. Какой разрядности АЦП используется, как боремся с шумами, нелинейностью датчиков и прочими проблемами - его не интересовало. И правильно, по моему - это проблемы разработчика, и только его.

О! Чайницкое предложение:

Стучим в фирму "Аналоговые Девицы" (analog devices), либо "Нацыональные Инструменты" (если в коробочке), приобретаем АЦП с более высокими характеристиками, типа 2MSPs, 18 или 24 разряда. Измеряем тестовый сигнал одновременно обоими и делаем выводы типа "вот, ихние микросхемы безбожно врут, а наше устройство самое правильное" ;-)

Или так плохо?

Насколько я понимаю, корреляция измерительных данных будет означать что и образцовый, и ваш АЦП подключены и задействованы правильно и т.п. Запишете какая дисперсия получилась, какие частотные характеристики тестового сигнала и поставите печать.

Разве плохо? И, почему-то, думаю не дороже, чем искать высокоточные генераторы. ;-)

Три ЦАПа и ОУ - многовато. Оставляем один, формирующий сигнал, по точности и динамике выше
тестируемого АЦП. Само устройство формирует массив измеренных данных в ОЗУ с последующей передачей в
комп. Если подать тестовый массив на вход, то имеем что сравнивать в компе.
Остаются погрешности ЦАПа плюс его шумы, а
их легче измерить и уменьшить.

Ну если Вам так нужна калибровка, то Вам нужно соответствующее оборудование (самому - не сделать, купить - вряд ли). Посмотрите приборы фирмы Keithley:
http://www.keithley.com/products
Ими часто производители тех же самых АЦП пользуются. Если Вам нужно только один раз измерения провести, то можно попытаться за символическую сумму с фирмой "Родник" договориться, т.к. они официальные представители Keithley в России.

Вроде бы, можно... На коленке.
Регулируемый точный опорник + реле (ртутное).

Калибровать АЦП по INL и DNL надо, только если вы разрабатываете собственно микросхему. Иначе все это-лишний геморрой. Подаете синус с чистого кварцевого генератора вблизи верхней границы диапазона, собираете 8096 точек, крутите фурье и хватит в принципе. Знаете число эффективных бит, уровень шумов итд.
А вот если надо INL и DNL мерять- то вам нужен образцовый вольтметр, разрядностью больше чем АЦП, цифровой компаратор кодов и управляемый интегратор. Принцип простой- в компаратор записывается код, выход компаратора управляет интегратором (больше-меньше), выход интегратора идет на вход АЦП и на вольтметр. Запускаем перебор кодов на автомате на входе компаратора и на каждом коде собираем статистику (гистограммы) и напряжение на интеграторе. Измеренные напряжения дадут график INL и DNL.
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN283.pdf тут все есть.

Ну если заказчик верит не обеспеченному метрологически оборудованию,- то не вопрос, можно шаманить и дать ему результаты, которые он хочет.
Добавлю, что не у каждого есть регулируемый точный опорник и ртутное реле. Я бы попытался с Родником завязаться.