Способ измерения систематической погрешности аналого- цифровых преобразователей

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при метрологических испытаниях аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Изобретение позволяет повысить точность контроля систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путем формирования входного воздействия суммированием, опорной величины, равной номинальному значению контролируемого уровня квантования АЦП, вспомогательной равномерно распределенной величины и компенсирующей величины. Последнкяо получают усреднением знакового сигнала, определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кoдa за счет того, что усреднение осуществляют с весом, равным абсолютному значению вспомогательной равномерно распределенной величины. 1 ил. ш (Л о 00 4

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 Н 03 M 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3905028/24-24 (22) 04.06,85 (46) 30.03,87, Бюл.!Ф 12 (72) С.Б,Кутыркин, В.К.Петров, В;Л.Полковов, А .А,Скорляков и М.К.Смирнов (53) 681,325(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 494700, кл, Н 03 М 1/10, 1973.

Цифровая информационно-измерительная техника, Межвузовский сборник научных трудов, Пензенский политехнический институт, 1981, вып,11, стр.106-112. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при метрологичес„„SU„„1300634 А 1 ких испытаниях аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров, Изобретение позволяет повысить точность контроля систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путем формирования входного воздействия суммированием опорной величины, равной номинальному значению контролируемого уровня квантования АЦП, вспомогательной равномерно распределенной величины и компенсирующей величины. Последнюю получают усреднением знакового сиг-. нала, определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кода за счет того, что усреднение осуществляют с весоМ равным абсолютному значению вспомогательной равномерно распределенной величины.

1 ил.

1 1ЗО

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при метрологических испытаниях АЦП и цифровых вольтметров для измерения и контроля систематической составляющей их инструментальной погрешности, т.е. погрешности уровня квантования.

Цель изобретения — повышение статистической точности измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путем увеличения информативности усредняемых значений.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит источник 1 опорной величины, источник 2 вспомогательной величины, блок 3 суммирования, выпрямитель 4, блок 5 умножения, блок 6 усреднения, блок 7 сравнения кодов (УСК7), входные 8 и 9, а также выходную 10 шины, Контролируемый

АЦП обозначен на схеме позицией 11, Сущность способа измерения систематической погрешности АЦП заключается в следующем.

Направление изменения компенсирующей величины определяется в соответствии с предлагаемым способом текущим соотношением вероятностей, что контрольный код а меньше выходного кода АЦП Р(п (а) и наоборот Р(Ь ) а) путем использования операций сравнения и усреднения.

Действительно, результат h АЦ-преобразования можно связать с входной опорной х, компенсирующей х „ величинами и инструментальной погрешностью следующим образом

0634 2 ности 5 АЦП, равна по модулю и. противоположная по знаку медиане инструментальной погрешности h, а значит, при симметричном распределении

6, и ее среднему значению 6 .

В если h;> а

S h(hl - а)

-В если h (а

15 где S „ (° ) - символ знаковой функции

 — установленное значение знакового сигнала Z определяемого результатом сравнения кода h и а, 20

Известный способ предполагает усреднение непосредственно знакового сигнала Z/t/, При этом в зависимости от способа реализации операции усреднения будет равно

25 t х„() = (1/Т„) Z (t ) t) t ! о

= (1/0) У г(1}, xK(i) где i-номер такта преобра—

30 эования контролируемого АЦП, Диапа30Н изменения вспомогательной равномерно распределенной величины U в .соответствии с известным должен перекрывать диапазон изменения инстру35 ментальной погрешности АЦП к . Другими словами /U /„, „ = Д >, /а / эначенйя величины U„, погрешности соответственно.

40 Учитывая также, что величина х„ выражена фактически в долях В и что диапазон ее изменения должен охватывать диапазон изменения л, значение амплитуды В целесообразно выбирать

45 равным А. Этими условиями и определяются конкретные значения параметров А и В.

h E„t((x + х „+ 0,5q)+ ьи)/q ), где ц " ступень квантования АЦП;

E„tt. j символ, обозначающий целую часть; х с1(а-0,5) - опорная величина, равная номинальному значению контролируемого а-го уровня квантования АЦП.

Из выражения видно, что событие

h > а соответствует событию (х„ +

+!!!Ä ) > 0 и наоборот. При равенстве вероятностей событий h o а и h < а выполняется равенство Р(х„ а ь„ )

= Р(х „ > a ), т,е. компенсирующая величина, представляющая собой оценку ас искомой систематической погрешПредлагаемый способ предполагает

50 усреднение произведения значения сигнала Z и абсолютных .значений величины U ° При этом операция перемножения в данном случае эквивалентна операции присвоения знака "+" или

55 "-" значениям /U!,/ в зависимости от знака разности /h"à/, реализуемая, например, с помощью управляемого инвертора, Поэтому сигнал Z является фактически сигналом управления, а

Операция сравнения выходного кода

Ь АЦП с контрольным кодом а математически однозначно описывается с помощью знаковой функции

13006

его амплитудное значение В должно выбираться из соображения обеспечения условий управляемости процессом инвертирования значений /11ь/, т.е. из соображений, on ределяемых конк ре тной аппаратной реализацией этой операции.

Учитывая приведенное выражение для кода h, можно утверждать, что

S< /h-а/ = S „(а + х„+ Ub), Поэтому, для обесйечения возможности выравнивания вероятностей P(h а) и P(h с а) путем изменения компенсирующей величины х „ знак ее приращения ах „ должен быть противоположен знаку разности /h-а/, т.е, S „àõ

-5 1„(Ь-а), Таким образом, для обеспечения отрицательной обратной связи и компенсации h,, с помощью х„

= ассигнал Z должен быть сформирован в соответствии с правилом Z=-5 „(Ь-а) „

Применение равномерно распределенной вспомогательной величины и, имеющей ту же физическую природу, что и величина х, при формировании входного воздействия на контролируемые АЦП не изменяет в силу симметричности ее закона распределения, соотношение вероятностей P(h а) и P(h (а).

Можно показать, что математическое ожидание усредняемых значений /U1,/

Б(„(а+х„+ Ub) равно „ М(/О /x

° s (»+ x» + uü)l = I у s » (у):

А

:e(y) dy rpe ()(y) - плотность вероятности суммы у = а„+ х„, Из приведенного выражения видно, что приращение компенсирующей величины х„

= а, получаемой в результате усреднения сигнала /П / S>„(h-à) будет равно нулю тогда, когда компенсиру- 4Q ющая величина будет равна со знаком

"минус" искомому среднему значению погрешности а, т.е, систематической составляющей х = а . Другими словами использование веса, равного модулю /О /, при усреднении знакового сигнала Z"S „(h"à) не искажает искомой оценки а по сравнению с изс вестным способом. Кроме того, происходит выравнивание и симметрирование плотности вероятностей значений входного воздействия, что важно для уменьшения возможной смещеииости искомой оценки 6. из-за отличия некосредственно измеряемой медианы рас- 55 пределения суммы )() + х„+ х + U } от ее математического ожйдания.

Введение в процессе формирования компенсирующей величины х операций

34 4 перемножения абсолютных значений вспомогательной величины U на энаь чения знакового сигнала Z определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кода„позволяет за счет повьппения информативности усредняемых значений существенно повысить эффективность алгоритма усреднения, а значит и точность искомой оценки, При этом необходимо выполнение условия /a /, А, где

А — амплитуда вспомогательной величины 0

Увеличение статистической точности в способе объясняется следующим образом. Известный способ и устройство, его реализующие, предполагают усреднение знакового сигнала 7, принимающего всего лишь два значения

+А, -А и имеющего биноминальное распределение. При этом дисперсия D знаковой оценки систематической погрешности АЦП (равна А /Я, где объем выборки, если осуществляется дискретное усреднение, В предлагаемом способе в отличие от известного реализуется "весовое" усреднение дискового сигнала Z. Усредняемая величина при этом будет иметь эа счет вспомогательной величины U равномерное распределение, дисперсия которого при прочих равных условиях (т.е. А В) заведомо меньше дисперсии биноминального распре1 деления и равна А /3Q, Поэтому при усреднении величины /Ub/ 2 дисперсия оценки будет равна 0(а ) = А /3Q, т.е ° как минимум в 3 раза меньше, чем у чисто знаковой оценки, Уменьшение дисперсии DEa j оценки и обуславливает достижение положительного эффекта предлагаемого способа по отношению к известному способу, увеличение статистической точности измерения (как раэ и характеризуемой как известно дисперсией оценки) или при заданной точности, уменьшение времени измерения.

Устройство реализующее данный способ, работает следующим образом, Источник I обеспечивает формирование опорной величины х., равной номинальному значению контролируемого а-го уровня квантования х= q(a-0,5), где q - номинальная ступень квантования АЦП11, Источник 2 формирует вспомогательную равномерно раепределенную величину U, имеющую нулевое среднее значение и амплитуСоставитель И,Романова

Редактор И.Сегляник Техред А.Кравчук Корректор N,Ïîæo

Заказ 1160/56

Тираж 902 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l1303S, Москва, E-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðîä,óë,Ïðoåêòíàÿ,4

5 13006 ду, сравнимую с допустимым значением случайной составляюшей инструментальной погрешности ь АЦП11. С выхода блока 3 суммирования на вход контролируемого преобразователя подается сумма х + U Блок 7 сравнения кодов сравнивает текущее i"е значение выходного кода АЦП 11 h;, с опорным кодом "а", При этом знак равности /h --а/ противоположен знаку 10 суммы (а; + Uü) > те 5ф (;

5%ь (a„; + U< x è -1

Блок 5 умножения обеспечивает присвоеНие абсолютному значению /U /, поступающей с выхода выпрямителя 4 знак "-" при h ) а а и "+" — пр

h .< а. Блок 6 усреднения осуществ?О ляет усреднение значений /Оь, /

«Sy (h; - а) и подает текущее среднее (i -1) -е значение оценки a, (t) на третий вход блока 3 суммирования.

I формирование сигнала обратной связи .а (с) на выходе блока 6 усреднения происходит так, чтобы появление исходов h ) а и h < а (т.е.появление единицы или нуля на выходе блока 7) было равновероятно.

34 6

Формула из обре тения1

Способ измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в том, что на каждом i-м такте формируют входной сигнал путем суммирования опорного сигнала,,равного номинальному значению контролируемого уровня квантования, вспомогательного равномерно распределенного сигнала и компенсирующего сигнала, полученного на (i-1)-м такте, формируют код, пропорциональный входному сигналу, осуществляют сравнение полученного кода с опорным кодом и по результату сравнения формируют знаковый сигнал, положительный в случае, когда сформированный код меньше опорного кода,и отрицательный в случае, если сформированный код больше опорного кода, после чего определяют среднее значение знакового сигнала эа 1 тактов, по которому судят о значении компенсирующего сигнала на (i+1) -м такте, отличающийся тем, что„с целью повышения статистической точности измерения, при формировании знакового сигнала абсолютную величину последнего выбирают равной текущему значению вспомогательного равнополярно распределенного сигнала,