Устройство измерения характеристики преобразования высокоточных и быстродействующих аналого-цифровых преобразователей

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК 51) 4 Н 03 М 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3763588/24-24 (22) 25,04.84 (46) 15.02.86. Бюл. № 6 (71) Институт электроники и. вычислительной техники АН ЛатвССР . (72) В.Я.Загурский, И.Я.Зарумба, А.Г.Вершинин и Е.Г.Цветков (53) 681.325(088.8) (56) Souders Т,M. Adinamie Test Method for high resolution а/d Convertors, I ЕЕЕ Transaction on Instr.

and measur VIM-31, 1982, № 1, march, р.3-5.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1058048, кл. Н 03 К 13/02, 1983. (54)(57) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В61СОКОТОЧНЪ1Х

И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, содержащее генератор периодического сигнала, аналоговый интегратор напряжений, цифровой интеrрирующий вольтметр, аналоговый сумматор напряжений, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а выход является первой выходной шиной, биполярный коммутатор напряжений, выход которого подключен к входу интег— ратора, а входы соединены с соответствующими выходами блока сравнения кодов, первые входы которого являются входными шинами, вторые входы соединены с первыми выходами блока задания кодов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены блок цифроаналоговых преобразователей, бпак компаратарав, блок формирователей

„„9U„„1211879 А импульсов, мультиплексор, измеритель временного интервала, регистр памяти, арифметический блок, причем выход генератора периодического сигнала подключен к второму входу аналогового сумматора и к первому входу блока кампаратара, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока цифроаналоговых преобразователей, а первый, второй и третий выходы через блок формирователей импульсов соединены с соответствующими первыми входами мультиплексора, второй вход которого объединен с первым входом арифметического блока и подключен к второму выходу блока задания кодов, первый и второй выходы соединены с соответствующими входами измерителя временного интервала, третий выход является второй выходной шиной, а четвертый выход соединен с третьим входом блока сравнения кодов, при этом третий и четвертый выходы блока задания кодов соединены с первыми и вторыми входами блока цифроаналоговых преобразователей, пятый выход соединен с первым входом регистра памяти, выход которого соединен с третьими входами блока цифроаналоговых преобразователей, второй вход подключен к выходу арифметического блока, второй вход которого соединен с выходом цифрового интегрирующего вольтметра, вход которого соединен с выходам аналогового интегратора. ков.

Устройство содержит генератор 1 периодического сигнала, аналоговый интегратор 2 напряжений, аналоговый сумматор 3, цифровой интегрирующий вольтметр 4, биполярный коммутатор 5 напряжений, испытуемый АЦП 6, блок 7 сравнения кодов, блок 8 задания кодов, блок 9 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), блок 10 компараторов, блок 11 формирователей импульсов, мультиплексор 12, измеритель 13 временного интервала, регистр 14 памяти, арифметический блок 15. 25

1!а фиг.2 обозначены: периодический испытательный сигнал 16 напряжения с выхода генератора 1, напряжение 17 на первом выходе блока 9, напряжение

18 на втором выходе блока 9, напряжение 19 на третьем выходе блока 9, цифровые сигналы 20 — 22 соответственно на первом — третьем выходах блока 10, соответствующие уровням напряжений

17 — 19, импульсы 23 — 25 на выходах блока 11, сформированные при переходе

35 сигналов 20 — 22 из логического состояния "1" в "0", импульсы 26 на выходе блока 11, сформированные при переходе сигнала 22 из "0" в "1", импульсы

4О

27, иллюстрирующие действительные моменты опроса испытуемого АЦП 6 (при действии импульсов 25), напряжение

28 на выходе аналогового интегратора

2, 29 — сумма напряжений 28 и 16 на

gc; выходе аналогового сумматора 4, напряжение 30, численно равное коду на первом выходе блока 8 задания кодов, подключенном к блоку сравнения 7 кодов, цифровые сигналы 31, 32 на выходах блока 7 сравнения кодов, А— значение сигнала напряжения 16, равное значению уровня напряжения 17, 4 1 — временной интервал между импульсами 23 и 24; — задержка запуска

АЦП h,  — среднее значение напряже- 5> ния 28, 4 U — абсолютная величина разности напряжений между уровнями

17 и 18. 11еред началом работы первую

f 12118

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для проверки и метрологической аттестации аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Цель изобретения — повышение точности, На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройства; на фиг.2 — временные диаграммы напряжений на выходах соответствующих блои вторую выходные шины соединяют с соответствующими входами испытуемого АЦП, выходы которого соединены с входными шинами.

Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал генератора 1 (фиг.1), периодический сигнал 16 (фиг.2) произвольной формы поступают на аналоговый сумматор 3 и сигнальный вход блока компаратора 10. На первом и втором входах блока 10 с . выходов блока 9 устанавливаются уровни напряжений 17,18 (фиг.2), а на третьем входе блока 10 предварительно также устанавливается уровень напряжения 17. Напряжения 17 и 18 численно равны кодам, задаваемым с выходов блока 8 задания кодов на входах блока 9 ЦАП. Регистр памяти

14 разблокирован по стробируемому входу и код с выхода блока 8 непосредственно задается через него на цифровой вход блока 9, Величины уровней напряжений 17 и 18 задаются таки— ми, чтобы 40 соответствовали допустимой погрешности линейной аппроксимации сигнала 16 в точке А.

С выходов блока 10 сигналы напря— жения, например 22 (фиг.2), поступают в блок 11 формирователей импульсов, где формируются по длительности импульсы, соответствующие их срезам (переход из состояния "1" в "0") и фронтом (переход из "0" в "1"), например сигналы 25 и 26 (фиг.2), Импульсные сигналы поступают на входы мультиплексора 12, который в зависимости от кода на управляющем входе коммутирует на свои выходы эти импульсы в выбранных сочетаниях.

Для простоты на фиг,2 показаны только сигналы 20 — 22 и 23 — 26> необходимые для последующего рассмотрения. Блок 11 формирователей импульсов может в общем случае содержать число формирователей больше четырех, например, для формирования импульсов из всех фронтов и срезов сигналов

20 — 22. Это позволяет реализовать различные наборы стробирующих импульсов на выходах блока 11, число которых также увеличивается.

На управляющий вход мультиплексора

12 с второго выхода блока 8 задания кодов устанавливается код, который определяет режим мультиплексования такой, что с учетом установленных на входах блока 9 импульсы 23 и 24

I 2 I 187 i

55 (фиг. 2) переключены и» первый и второй выходы блока 12, а на третий и четвертый его выходы переключены импульсы (см.пунктир для импульсов

25, фиг.2), идентичные 23, сформированные из среза сигнала (см.пунктир для сигнала 22, фиг.2) на третьем выходе блока 10. Импульсы с первого и второго выходов мультиплексора 12 поступают на входы измерителя 13 временного интервала дТ. Поскольку величины уровней напряжений

17 и 18 заданы и известно дБ, то величина крутизны сигнала 16 в точке

А определяется как dU/dT = AU/11Т.

Для формализации определения величины и знака крутизны принимается, что ьТ имеет условно отрицательный знак, если импульсы 23 задержаны относитечьно 24, и наоборот, если импульсы 24 задержаны относительно

23, а ь Б определяется как алгебраическая разность уровней напряжений

17 и 18. Аналогично величина и знак крутизны могут быть определены для любых значений периодического сигнала 16.

На второй вход аналогового сумматора 3 и вход цифрового вольтметра

4 с выхода интегратора 2 поступает сигнал напряжения 28 (фиг.2), Постоянная времени интегратора 2 выбирается такой, чтобы, как и в прототипе, эа время изменения сигнала

28 в пределах между двумя рядом стоящими точками характеристики .преобразования (квантах) прошло

30-40 периодов сигнала с выхода генератора 1. На выходе сумматора 3 действует сумма 29 сигналов 16 и

28 (фиг.2). В моменты стробирования

АЦП 6 и цифрового блока 7 сравнения кодов (импульсы 25, показанные на фиг.2 пунктиром) мгновенное значе— ние напряжения 29 на входе АЦП 6 должно быть равно текущему значению напряжения 28 на выходе интегратора 2, В исходном состоянии на вход блока 7 с первого выхода блока 8 задания кодов устаноВлен код, численно равный уровню напряжения 17, Если выходной код преобразователя 6, полученный при стробировании> равен (при сравнении с блоком 7) коду с выхода блока 8, то сигналы (31,32, фиг.2) с выходов блока 7 переключают биполярный коммутатор 5 напряжений так, что выходное напряжеS

i:èL 28 аналогового интегратора 2 начинает возрастать. Когда оно достигнет значения, при котором выходной код испытуемого ЛЦП 6 превысит код, установленный на первом выходе блока 8, сигналы (31,32, фиг.2) с выходов блока 7 сравнения кодов переключают коммутатор 5 так, что выходное напряжение. интегратора начинает уменьшаться. Указанный процесс многократно повторяется, среднее значение В напряжения сигнала 28, измеряемое на выходе интегратора 2 цифровым вольтметром 4, сравнивается с кодом на втором выходе блока 8 (кодом уровня напряжения 17) задания кодов посредством арифметического блока,5, Величина среднего значения напряжения на выходе интегратора 2 характеризует действительное значение напряжения на выходе АЦП 6 по сравнению со значением уровня напряжения 17. Отличие этих значений обусловлено тем, что ввиду влияния задержки действительный момент стробирования испытуемого

АЦП 6 не соответствует местоположению точки А на сигнале 16 и в общем случае неизвестен, так как неизвестна, 1ля компенсации влияния задержки ь на результат измерений последовательно изменяют код на входе регистра 14, задаваемый с пятого выхода блока 8. Коды на остальных выходах блока 8 сохраняются неизменными. Изменение кодов сопровождается изменением уровня напряжения на третьем выходе блока 9 ЦАП от величины уровня напряжения 17 до величины уровня напряжения 19. При равенстве кода на выходе цифрового вольтметра 4 с кодом на третьем выходе блока 8 задания кодов ил пульс на выходе арифметического блока 15 стробирует регистр 14. В результате в регистре

14 запоминается значение кода, численно равное уровню напряжения 19.

Таким образом, на третьем выходе блока 10 компараторов сформируются сигналы 22 (фиг.2), а в блоке 11 формирователей импульсов будут сформированы импульсы 25 и 26, Импульсы

25 кол мутируются мультиплексором

12 на входы стробирования АЦП 6 и блока сравнения 7 кодов и опережают по фазе импульсы 23 так, что обеспечивается точная компенсация задержки и с ее учетом определяется

1211879

ЗО

dg

50 момент стробирования АЦП 6, точно

< оотнетствующий результату преобразования напряжения 29 в точке А. Поскольку величина и знак крутизны в точке А также точно определены, то все исходные параметры сигнала 16 в точке А (значение, величина и знак крутизны) известны независимо от его формы и задержки

Для измерения г с второго выхода блока 8 задания кодов устанавливается на управляющем входе мультип.пексора 12 такой код, что с выходов мультиплексора 1 2 на входы измерителей 13 временного интервала поступают импульсы 23 и 25.

При измерении характеристики преобразования испытуемого АЦП 6, установленные на всех входах блока 9, остаются неизменными и численно равными уровням напряжений 17 — 19.

На управляющем входе мультиплексора 12 с второго выхода блока 8 устанавливается такой код, что на первый и второй выходы мультиплексора

12 переключаются импульсы 23 и 24, интервал 6 Т между которыми контролируется измерителем 13 в процессе измерений, с третьего выхода мультиплексора 12 на вход стробирования блока 7 сравнения кодов поступают импульсы 25, а с четвертого вьг:.ода мультиплексора 12 на вход стробирования АЦП 6 поступают импульсы 25 и 26, Таким образом, обеспечива.ется стробирование преобразователя 6 в моменты времени (импульсы 2 <, фиг,2), соответствующие различным значениям напряжения сигналя 28 с выхода аналогового сумматора 3. управление биполярным коммутатором 5 произво— дится импульсами 31,37, формируемыми только в моменты сравнений (сигналы

23, фиг.2), когда текущее значение напряжения на выходе интегратора 2 равно мгновенному значению напряжения на входе испытуемого АЦП 6.

Пусть на вход блока 7 сравнения кодов с первого выхода блока 8 задания кодов установлен код, соответствующий номеру точки характеристики преобразования и численно равный уровню напряжения 30 (фиг,2). Среднее значение выходного напряжения аналогoBQI интегратора 2, измеряемое в течение большого числа циклов его изменения цифровым интегрирующим вольтметром 4, соответст- - T границе перехода от одного кванта к друго4 му на измеряемой характеристике преобра зования. Отклонения цифрового результата измерения (среднее значение В, фиг.2) от кода (уровень напряжения

30, фиг.2) характеризует в этом слу чае погрешность динамической характеристики преобразования в этой точке. Погрешность точно соответствует определенным, в исходном состоянии устройства, величине и знаку крутизны испытательного сигнала 16 в точке

А (фиг.2), Влияние задержки скомпенсировано, а испытуемый АЦП 6 работает в реальном режиме преобразования различных значений испытательного сигнала.

После регистрации результата измерений на первом выходе блока 8 устанавливается код, соответствующий значению следующей точки измеряемой характеристики преобразования, Измерения повторяются, при неизменных значениях кода на всех остальных выходах блока 8 и регистра 14, до получения полной информации о всех точках характеристики преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя, Предложенное устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую точность, поскольку обеспечивает точное соответствие результатов измерений исходным параметрам испытательного сигнала и реальным условиям работы испытуемого АЦП 6, Точность соответствия определяется относительной погрешностью измерителя периодического временного интервала 13 и цифрового интегрирующего вольтметра 4 и составляет тысячные доли процента.

Кроме непосредственных измерений динамической характеристики прес,.р эования, устройство позволяет измерять задержку запуска испытуемого

АЦП 6 и парамегры крутиэныиспытательнсго сигнала в любой выбранной точке (при любом его значении), Это псзво .яет использовать в качестве иг..:ытательных периодические сигналы произвольной формы либо использовать

;-дин и тот же испытательный сигнал, производя измерения при различных е.-о значениях, величине и знаке крутизны„ Для этого достаточно перед измерением динамической характеристики преобразования предварительно

12118 i9 задавать различные значения кодов на входах блока ЦЛЛ 9.

Задавая соответствующие коды управления мультиплексором 12, можно в процессе измерений изменять условия запуска испытуемого АЦП 6 путем коммутации различных импульсов с выходов блока формирователей 11 импульсов и измерять их временное местоположение при помощи измерителя

13 временных интервалов.

Переключая входы арифметического блока 15 на соответствующие выходы регистра 14, с учетом результатов измерений измерителя временного интервала можно выполнить необходимые арифметические операции, например, при вычислении величины крутизны или погрешности откло— пения динамической характеристики преобразования от статической.

1211879

22

Редактор О.Колесникова

23

Составитель И.Романова

Техред Т. Тулнк Корректор С.Шекмар

Заказ 650/60 Тираж 818 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4