Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей

 

Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей может быть использован в сетевых измерительных системах. Способ заключается в преобразовании линейно изменяющегося испытательного стенда посредством испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Одновременно с преобразованием сравнивают испытательный сигнал с границами диапазона преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя. В моменты равенства испытательного сигнала с границами диапазона преобразования изменяют знак крутизны испытательного сигнала на противоположный и задают абсолютные значения крутизны испытательного сигнала случайно с плотностью, распределения, определяемой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Число значений крутизны задают по формуле N L- A.t/f, где L - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового пpeoбpaзoвateля, m - число разрядов испытуемого аналого-цифрового преобразователя, cJt - период преобразования, Т - средняя длительность интервала между моментами равенства испытательного сигнала и границ диапазона преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя . После этого регистрируют цифровой сигнал испытуемого преобразователя . Затем подсчитывают число выпаданий каждого кода аналого-цифрового преобразователя, а динамическую погрешность испытуемого аналого-цифрового преобразователя определяют как величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждого кода и заданного числа выпаданий . 2 ил. сл оо о to со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU,„13024 1

А1 (50 4 " 03 M 1/10 г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с-. г

r,.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3941971/24-24 (22) 27.06.85 (46) 07.04,87, Бюл. - 13 (71) Институт электроники и вычислительной техники АН ЛитССР (72) В,Я. Загурский, И,Я. Зарумба и Н.Я, Семенова (53) 681.325(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 809548, кл. Н 03 M 1/10, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N 999154, кл. Н 03 M i/10, 1983. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ .ПОГРЕШНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей может быть использован в сетевых измерительных системах. Способ заключается в преобразовании линейно изменяющегося испытательного стенда посредством испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Одновременно с преобразованием сравнивают испытательный сигнал с границами диапазона преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя, В моменты равенства испытательного сигнала с границами диапазона преобразования изменяют знак крутизны испытательного сигнала на противоположный и задают абсолютные значения крутизны испытательного сигнала случайно с плотностью. распределения, определяемой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Числа значений крутизны задают по формуле N =

= L . .2 st/Т, где 1. — заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразователяр

m — число разрядов испытуемого аналого-цифрового преобразователя, сХ период преобразования, Т вЂ” средняя длительность интервала между момен-. тами равенства испытательного сигнала и границ диапазона преобразования испытуемого аналога-цифрового преобраэователа. После этого регистрируют цифровой сигнал испытуемого преобразователя. Затем подсчитывают число выпаданий каждого кода аналого-цифрового преобразователя, а динамическую погрешность испытуемого аналого-цифрового преобразователя определяют как величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждого кода и заданного числа выпаданий, 2 ил.

13024

1

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано для измерения динамической погрешности быстродействующих и .,высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в измерительных системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.

Целью изобретения является повышение точности измерения динамической 10 погрешности АЦП. ,На фиг. 1 приведены временные ди аграммы, иллюстрируннцие предлагаемый способ; на фиг, 2 — функциональная схема устройства для реализации пред- 1 лагаемого способа, На фиг. 1 показаны: линейно изменяющийся входной сигнал 1, подаваемый на вход испытуемого АЦП, первая

2 (верхнее значение US) и вторая 3 20 (нижнее значение UH) границы диапазона U = Ug - U преобразования АЦП, импульсы 4, обеспечивающие преобразование сигнала 1 АЦП, функция 5 числа выпадания каждого из кодов АЦП от ну- 25 левого до 2 — 1-го, где m — число разрядов испытуемого АЦП, t, = О, 1, 2...,, N — моменты равенства сигнала 1 и границ 2 и 3; at — период преобразования АЦП, Т; — длительность З0 . временного интервала между моментами

t; и t;+ d угол наклона i-го участка сигнала 1 по отношению к границам 2 и 3, К; = U /Т; — крутизна 1-ro участка сигнала 1 N — число 35 участков (крутизн) сигнала, U, j

0,1,. ° ., 2 -1 — значение аргумента функции 5, Под термином фрагмент сигнала" понимают участок линейно изменяющего- 40 ся испытательного сигнала, заключенный между границами изменения сигнала по амплитуде и имеющий постоянную производную по времени, Производную по времени (графически, тангенс угла 45 наклона сигнала к оси времени) называют крутизной сигнала и обозначают буквой К. Таким образом, i-й фрагмент сигнала имеет крутизну К;.

Предлагаемый способ позволяет уве- 50 личить точность измерения динамической погрешности АЦП за счет обеспечения адекватности условий измерения реальным условиям работы испытуемого

АЦП в динамическом режиме. Конкретно это определяется формированием испытательного сигнала, значения крутизны которого распределены случайно с плотностью распределения в заданном интервале, а знак и абсолютное значение крутизны изменяются согласно совокупности и последовательности выполнения операций способа. B результате обеспечивается измерение динамической погрешности испытуемого АЦП при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический спектр, соответствующий заданному энергетическому спектру входных сигналов испытуемого АЦП и виду закона распределения энергии по диапазону рабочих частот;

В соответствии с предлагаемым способом могут быть обеспечены наилучшие, с точки зрения точности измерений, условия. Этим условиям удовлетворяют: требование формирования линейно изменяющегося испытательного сигнала, имеющего равномерную плотность распределения значений в пределах диапазона преобразования испытуемого АЦП, и задание необходимого числа различных значений крутизны испытательного сигнала ° Это позволяет увеличить точность измерения динамической погрешности преобразования, благодаря обеспечению одинаковых условий для числа выпаданий всех кодов испытуемого АЦП, устранению, независимо от разрядности АЦП, эффекта "периодизации"и исключению влияния амплитудного сдвига (дрейфа) испытательного сигнала в пределах диапазона амплитудных значений испытуемого АЦП.

Устройство, реализующее способ, обеспечивает точное измерение динамической погрешности АЦП с разрядностью.

m > 12-1 4, Это обусловлено тем, что в нем, независимо от разрядности АЦП, исключаются влияния эффектов периодизации" и амплитудного сдвига (сдвига нуля испытуемого АЦП) испытательного сигнала в пределах диапазона преобразования. По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет обеспечить условия измерения динамической погрешности испытуемого

AUIT, адекватные реальным условиям его работы, Устройство для измерения динамической погрешности АЦП (фиг,2) содержит цифровой формирователь б псевдослучайных чисел, выходы цифровых кодов абсолютного значения крутизны и ее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 7, выход ко3 302431 торого соединен с входом аналогового интегратора Я, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, выходы которого .через блок 10 регистрации, соединены с входами вычислительного блока 11, генератор 12 импульсов, Выходы компараторов 13 -и 14 подключены к управляющим входам формирователя 6 псевдослучайных чисел, а вторые входы fp компараторов 13 и 14 подключены соответственно к источникам опорных напряжений U< и U . Выход АЦП 9 через блок 10 регистрации соединен с входом вычислительного блока 11. Вы- 15 ход генератора 12 синхроимпульсов подключен к входу стробирования

АЦП 9.

Кроме того, на фиг. 2 обозначены

А — выход цифрового кода, соответст- Zp вующего абсолютному значению крутизны формирователя 6, Б — выход кода знака крутизны формирователя 6,  — управляющие входы формирователя 6. 25

В соответствии со способом осуществляют следующие операции.

Формируют сигнал 1, необходимыми и достаточными условиями для которого является линейность изменения во 30 времени с заданной величиной крутизны К;. На фиг. 1 показан сигнал 1 со значением крутизны К. после начала формирования и положительным знаком (нарастающий сигнал 1 от U к U8).

Затем одновременно с преобразованием сигнала 1 испытуемым АЦП в моменты действия импульсов 4 сравнивают сигнал 1 с границами 2 и 3 диапазона Пя преобразования испытуемого @)

АЦП. В соответствии со способом, при сравнении, в моменты t; равенства сигнала 1 и границ 2 и 3 (фиг. 1) изменяют знак крутизны К; на противоположный и задают другое абсолютное значение крутизны. Из фиг, 1 видно, что в момент tf, абсолютное значение крутизны изменилось на другое (IK;,l > l К; д ) ), а знак ее изменился на противоположный, поскольку сиг-5р нал 1 стал спадающим от Ug к UH.

N = Ь 2 at/Т, (2) Значения крутизны сигнала 1 согласному способу задают случайно с плотностью распределения определяе55 мой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого АЦП. Энергети- ческий спектр сигнала 1 определяется из выражения () = М ()з,. -- 1 S („,)) ) (1

N Т к где M() — математическое ожидание выражения, стоящего в квадратных скобках;

N — количество значений крутизн сигнала 1;

Т вЂ” средняя длительность интервала времени, при котором сигнал сохраняет постоянную крутизну между моментами времени

s„() =) с,(4, i=1 где С . (о3) — Фурье-преобразование фрагмента сигнала,имеющего i-ю крутизну;

cu =. 2И вЂ” циклическая частота.

Динамическая погрешность АЦП при преобразовании сигналов, имеющих на любой частоте энергию, не превышающую энергию сигнала 1 на этой же частоте, не больше, чем динамическая погрешность при преобразовании сигнала 1.

Таким образом, полностью удовлет:,воряется адекватность условия измерения и реальных условий использования испытуемого АЦП, что увеличивает точность измерения динамической погч решности АЦП.

В соответствии со способом число . значений крутизны задают по формуле где L — заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразователя.

Можно показать, что в случае задания числа значений крутизны N no формуле (2) обеспечивается исключение влияния эффекта "периодйзации" на точность измерения динамической погрешности АЦП.

Регистрируя согласно способу цифровой сигнал АЦП L 2™ раз в моменты действия импульсов 4, подсчитывают 1.„. — число выпаданий каждого, = О, 1, 2. . .,. 2 — 1 кода АЦП. При

L > 4 00-1000 относительная погрешность для 1.„. при задании числа И по формуле (2) составляет не более 0,10,15 с доверительнсй вероятностью

0,9973.

5 13024

При известных заранее для АЦП диапазоне преобразования Uä и числе разрядов тп может быть построена функция

5 числа выпаданий 1.. каждого кода

АЦП. Значение приращений аргумента

U „функции определяется как U -U.

= U L,/2 .1.

Учитывая данные о погрешности L., J относительная методическая погрешность определения U - U, составит 10 не более 0,1-0,15 от величины разрешающей способности (U /2 ) аналого3 цифрового преобразователя, что пренебрежимо мало.

После подсчета числа L динамиJ ческую погрешность АЦП определяют согласно способу как

Uä (L. — 1.) = const (I. - -1.) (3, 2 L у

Ц т.е ° как величину, прямо пропорцио- нальную разности числа выпаданий каждого кода испытуемого АЦП и заданного числа выпаданий.

Выбор числа значений крутизны сиг — 25 нала 1 зависит от плотности их распределения в интервале (K

Бд /Тмаксю K макс U> /Т «„) " где K„н

К, Тмин Т мак симальное значения крутизны К; и дли- 30 тельности Т„ соответственно. Для двух практически важных случаев равномерной и линейной нарастающей плотностей распределения количество крутизн сигнала 1N и N„ on- 35 ределяется по формуле ,за мнн (4 )

2 дс (Т вЂ” Т „)

Тмакс r„„„S и (i„jr „„„) 1, 2 t (Т,+ Т ) 40

N = — — — — -- — -+ — -сш"- —. (5) л 2т . Т мин "макс

Распределение энергии по диапазону значений крутизны (диапазону частот) будет в случае равномерной плот45 ности распределения этих значений пропорционально натуральному логарифму от значения крутизны и равномерно в случае линейно нарастающей плотности распределения значений крутизны (фиг, 1), Задавая интервал значений крутизны сигнала 1, число значений 1.и плотность распределения значений К;, мож- 55 но задавать энергетический спектр сигнала 1, соответствующий диапазону рабочих частот ; =2 н f.< =2Н К,/Б„аналого-цифрового преобразователя и тре31 6 буемому распределению энергии по этсму диапазону, Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим ооразом.

В исходном состоянии на выходе А (фиг. 2) формирователя 6 установлен цифровой код, соответствующий значению крутизны К; (фиг, 1). На выходе Б установлен нулевой код, соответствующий положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значения и знака крутизны с выходов формирователя 6 подаются на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя 7 в момент t,- (фиг. 1) и преобразуются в напряжение, значение которого численно равно или пропорционально значению крутизны К, При U„ =, 0 напряжение в момент на выходе цифроаналогового преобразователя 7 изменится скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

К- . Скачок напряжения подается на вход интегратора 8 с нулевыми начальными условиями, где интегрируется. В результате на выходе интегратора 8 формируется линейно изменяющийся сигнал 1 (фиг. 1) с крутизной К; . Сигнал 1 поступает на вычитающие входы компараторов 13 и,4, которые сравнивают этот сигнал с опорными напряжениями Ц а верхней границы 2 диапазона преобразования АЦП 9 и U нижней границы 3 этого диапазона, В момент t;, напряжение сигнала

1 становится равным Us, компаратор 13 срабатывает и сигналом с его выхода по управляющему входу В формирователя 6 устанавливает в нем число, равное новому абсолютному значению крутизны К.,, ° Одновременно с этим код знака числа изменяется на единичный, что соответствует отрицательному знаку крутизны, В момент t; „ на вход интегратора 8 скачком подается напряжение, равное или пропорциональное отрицательному значению крутизныК;,.

В результате на выходе интегратора 8 формируется линейно изменяющееся напряжение с крутизной — V /(t,. — t,,)=

jK- ). В момент tI срабатывает

1-1 компаратор 14 и устанавливает в формирование 6 новое число с знаком, противоположным предыдущему.

Процесс повторяется до тех пор, пока число N значений крутизны К;, 7 13024 задаваемое по формуле (2), не будет исчерпано.

Напряжение с выхода интегратора 8 одновременно поступает и на аналоговый вход испытуемого аналого-цифрового преобразователя 9, на вход стробирования которого поступают синхроимпульсы 4 (фиг. 1) с выхода генератора 12 синхроимпульсов, Цифровые коды с выхода АЦП 9 регистрируются.в бло- 10 ке 10 регистрации. После окончания регистрации заданного числа раз 1, 2 кодов АЦП 9 с выхода блока 10 регистрации цифровые коды поступают в вычислительный блок 11, где посред- 15 ством счетчика 15 подсчитывается число L . выпаданий каждого кода и посJ редством сумматора-вычитателя. 16 вычисляется разность этого числа и заданного L числа выпаданий. 20

При практической реализации генератора 6 случайных чисел значение L числа задаваемых крутизн может быть ограничено сверху. Тогда точность, определяемую заданным числом L; выпаданий каждого кода испытуемого АЩЧ, можно увеличить выбором в соответствии с формулой (2) интервала значений крутизны испытательного сигнала, Инструментальная погрешность изме- З0 рения динамической погрешности испытуемого АЦП предлагаемым устройством определяется только диапазоном значений случайных чисел. числом разрядов и быстродействием цифроаналогового 35 преобразователя и шумами аналогового интегратора. При имеющихся в настоящее,время реальных ограничениях на эти параметры устройство позволяет измерять динамическую погрешность 40 аналого-цифровых преобразователей с числом разрядов до 14-16 и частотой дискретизации до 1-2,5 МГц.

31 8

Формула изобретения

Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразо-. вателей, заключающийся в том, что на каждом такте измерения формируют код, пропорциональный входному сигналу, запоминают полученный результат, после чего на заключительном такте подсчитывают число выпаданий каждой кодовой комбинации и с учетом его определяют динамическую погрешность, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в качестве входного сигнала используют линейно изменяющийся сигнал, одновременно с формированием кода сравнивают линейно изменяющийся сигнал с граничными значениями диапазона преобразования и в моменты равенства значений линейно изменяющегося сигнала последним, изменяют знак его крутизны на противоположный и при определеГ нии динамической погрешности исполь-. зуют величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждой кодовой комбинации и соответствующего заданного числа, причем абсолютные значения крутизны входного сигнала задают случайно, а число изменений знака крутизны линейно изменяющегося сигнала задают следующим образом N=L. 2 at/Т,где Ь вЂ” заданное число выпаданий каждой кодовой комбинации, m — число разрядов испытуемого аналого- цифровог6 преобразователя, а — период преобразования, Т -средняя длительнось интервала между моментами равенства, входного сигнала и грани чных значений диапазона преобразования.

130243 f

И йа ей

Составитель И. Романова

Редактор А. Шандор Техред Л.Олейник Корректор М, Пожо

Заказ 1225/56 Тираж 902 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул, Проектная, 4