Способ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя

 

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Цель изобретения - повышение точности калибровки - достигается за счет устранения погрешностей , связанных с формированием дополнительной аналоговой меры путем изменения условий проведения операций измерения первых и вторых разностей между выходным сигналом калибруемого ЦАП и дополнительным сигналом, введением допол- .нительных операций по измерению (п+1)-й второй разности и дополнительной разности, а также изменением расчетных соотношений при обработке результатов измерений. 3 ил. со sl Од сд

СОЮЗ СООЕТСНИХ

СО1 ИАЛИСТИ БЛЕСНИ 1

РЕСПУБЛИК (59 4 Н 03 М 1/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3945972/24-24 (22) 17.06.85 (46) 15.06.87. Бюл. У 22 (72) Г.С.Власов и Ю.А.Князев (53) 681.325(088.8) (56) Бахтиаров Г.Д. и др. Аналогоцифровые преобразователи. — И.:

Сов.. радио, 1980, с. 243.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1051702, кл. Н 03 М 1/10, 1982. (54) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ЛИНЕЙНОСТИ

УИНОЖАЮЩЕГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к области измерительной технике и может быть

„.SU„„1317657 A 1 использовано для калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) . Цель изобретения — повышение точности калибровки— достигается за счет устранения погрешностей, связанных с формированием дополнительной аналоговой меры путем изменения условий проведения операций измерения первых и вторых разностей между выходным сигналом калибруемого ЦАП и дополнительным сигналом, введением допол.нительных операций по измерению (n+1)-й второй разности и дополнительной разности, а также изменением расчетных соотношений при обработке результатов измерений. 3 ил, 1317657

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки линейности умножающего ЦАП при определении его градуировочной характеристики. 5

Цель изобретения — повышение точ ности калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя.

На фиг. 1 приведены статические характеристики 1 и 2 преобразования ® (сплошной линией — без изменения полярности опорного напряжения ЦАП; пунктирной — с изменением полярности опорного напряжения ЦАП)", на фиг, 2— участок характеристики 3 преобразования умножающего ЦАП, используемый для представления одного аналогового эквивалента двумя различными кодами (прямым и дополнительным); на фиг. 3схема устройства, реализующего предлагаемый способ калибровки умножающего ЦАП.

Устройство калибровки содержит калибруемый ЦАП 4,,выполненный на кодо25 управляемом делителе 5, коммутаторе 6, выходном суммирующем элементе 7, резисторе 8 знакового разряда и инверторе 9, инвертор 10, микроЗВМ 11, источник 12 опорного напряжения, де.— литель. 13 напряжения, вольтметр 14 и переключатели 15 — 17.

Сущность способ., калибровки умножающего ЦАП заключается в следующем.

Статическая характеристика 1 преобразования описывается уравнением: и

"ц " (2 .) -1 где U — выходное напряжение ЦАП;

U — опорное напряжение; 40 а.,а „ — (1 либо О) разрядные коэффициенты.

При переводе работы ЦАП в смежные квадранты преобразования (пунктирная линия) выходной сигнал описывается выражением: и ц О(3 Х2: ) °

i=<

О 0 О 1 О О О О О 1 (3) 3н 1 1 З зн Е- и з ке, — эквивалентный код включения

55 первого (старшего) разряда с погрешностью E, из первого квадранта преобразования. 3; от код является дополнительным, с погрешностями ЕqH

ЕЗн -Е1

+f„

О 1 G О 0 0 О 1 О 01

Сверху в первой квадратной скобке показан единичный код включения первого (старшего) разряда с погрешностью + E из первого квадранта преобразования, а внизу, в этой же скобРежим работы испытуемого ЦАП в предложенном техническом решении соответствует характеристике 3. Ее левая ветвь образуется при включении знакового разряда преобразователя и одновременном изменении полярности входного аналогового сигнала (опорного напряжения), Характеристика 3 цифроаналогового преобразования в отличие от характеристики 1 и 2 имеет по два аналоговых эквивалента (одинаковых по модулю и знаку выходного аналогового сигнала), соответствующих двум различным кодам преобразования.

При цифроаналоговом преобразовании каждый разряд преобразуется в свой аналоговый эквивалент согласно своему весу с погрешностью. Погрешность от включения i-го разряда в первом квадранте имеет„ например, знак плюс и меняет свой знак при включении этого же разряда в смежном квадранте преобразования за счет смены знака опорного напряжения.

Предположим, что включение старшего разряда в первом квадранте дает на выходе ЦАП величину аналогового сигнала +5В + 0,1В (где +58 — идеальное значение аналоговой величины от включения старшего разряда; О, 1В =

Т весовая погрешность преобразования в первом квадранте), Второе значение сигнала +5B, полученное во втором квадранте преобразования с погрешностью, образуется суммированием сигнала — эквивалента полной шкаль1 преобразования с инверсным значением разрядного веса 10  — 5,1 В = 4,9 В, причем 4,9 Е = 5  — 0, 1 В (где Е"-„ =

=-0,1 В), Представим единичные коды первого квадраНта и коды эквиваленты второго квадранта с их погрешностями группами, 1 считая, что ЦАП имеет четыре основных разряда и один знаковый:.

7657 4 компенсации на дифференциальных входах вольтметра 14 посредством регулировки делителя 13 напряжения и полученные на выходе вольтметра 14, можно представить:

131

U +Еэ„-Е,-А

U+E -E-f -В

Зн 1 2 где 11, 11.,: . ° ., U> — идеальные значения аналоговых эквивалентов преобразуемых кодов А, В, С вЂ” компенсирующее напряжение, снимаемое с выхода делителя 13 напряжения. Вычитая из верхнего значения аналогового эквивалента (2) нижнее в каждой квадрантной скобке, получают систему уравнений:

=2Е1 — Езн

Д2 =2Е2+Е1 зн i ° (3)

aç,=2E,+E2+Е1 — E» ь«

64 =2Е4+Ез+ Е2- Еэн» где d, — д4 — представляют собой вторые 5 разности и могут быть получены, например, следующим образом. На вход

ЦАП 4 подают единичный код, и при помощи делителя 13 напряжения компенсируют на входе дифференциального вольтметра 14 выходной сигнал ЦАП 4 до получения нулевого отсчета на выходе дифференциального вольтметра 14.

После этого на вход ЦАП 4 подают другой код (дополнительный), соответствующий аналоговому эквиваленту перво35 начально полученного вы <одного сигнала в соседнем квадранте преббразования, а на выходе дифференциального вольтметра 14 фиксируют полученное отклонение от первоначальной компенсации делителем 13 напряжения выходного с сигнала ЦАП 4.Зарегистрированная при этом вольтметром 14 величина напряжения является величиной д».

Решая систему (3) относительно весовых разрядных погрешностей f,,...

Е„, получают систему для 4-разрядного

ЦАП:

61

Е

Е2 =— 12

2 йg

Ез --,— 4

Е4

В общем виде любое уравнение системы (7) можно представить в виде: й; э; 1 Д;2 d» (— — + — — + + — ) +

2 2z 2з 2»

55 эн

+- — +К.у (8)

2 HH 4 эн

4 4 2

2 2 (4) Еэн

62 Д1

В.

4 8

Ь1 ЭН

«

Е4— 14

4 8 16 16

3 и Я1 соответственно. В остальных квадратных скобках приведены цифровые эквиваленты с весовыми погрешностями Е» четырехразрядного умножающего ЦАП. Аналоговые эквиваленты прямого и дополнительного кодов после

Б +Е -А

1 1

U +Š— В

"э+ э (2)

+ŠŠŠ— Е-С

3 зн

В общем виде любое уравнение системы (4) можно также представить, как

1-1 Ез„) (5)

1 что позволяет легко составить систему уравнений для ЦАП любой разрядности, Характерной особенностью преобразования умножающего ЦАП во втором квадранте преобразования является инвертирование аналогового вхрдного (опорного) сигнала. Чтобы погрешность инвертирования Е„„ опорного напряжения не входила дополнительной погрешностью при калибровке, учитывают, Ецн с учетом весового перераспределения.

При этом система (3) принимает следующий вид:

1

Ез Е

1 1 Зн 2 ин 1

3 »2 2F2+E — Š— - E эн 4 н (6). д =2Ез+Е Езн — E.

3 2 8 ИНУ

Д =2Е4+ Е +Е- +Š— Š— — Е

4 зн

Решая систему уравнений (6) отноительно погрешностей, получают систему:

Еэн Еин

+ +

2 4

Езн Еин

+ — — +

4 4 4 2 »1 Езн 3 — — — — + — — + — Е

8 8 8

ЛЭ d2 41 Еэн Енн

4 8 16 16 32 (7) где К» определяют из ряда 1/4, 1/4, 3/8, 1/32, 1/32, 3/64, 1/256, 1/256, 7657 6 характеристики преобразования. С учетом использованных при выводе систему уравнений (3)) представлений saписывают следующие коды — эквиваленты со своими разрядными весовыми погрешностями:

+E> + 4+ з

+ Не1 + Н 1

t 0 1 1 1

1 0 0 0 снн н+

2 снн

° n

+2 Е - Еэн2" (9) аЭн

4„„= E, +E +. (12) (11)

Енн у+ . ;+

1=1 где Л g — разница, зафиксированная цифровым дифференциальным вольтметрбм 14, между выходным напряжением

ЦАП при всех включенных весовых раз- 4

40 рядах и напряжением, снятым с выхода дополнительного инвертора 10 (на схеме фиг. 3 такой режим организуется при состоянии контактов переключателей 15 и l6 в указанном на схеме по- 4

45 ложении и противоположном указанному положении для переключателя 17); q— единица младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП, значение которой находится в памяти микроЭВМ 11 °

Для этого же типа ЦАП, выполнен- ного с инверсией на элементе 7, уравновешивание разрядных весов производится опорным напряжением делителя 13 55 через подключенный к его выходу переключателем 16 инвертор 10. Если же суммирующий элемент 7 не выполняет дополнительной функции инверсии, то

5 131

3/512, 1/2048, 1/2048; ..., для 1,2,3,4,5,6,7,8,9,... Полагая а3 и с„н неизвестными величинами, необнн ходимо доопределить систему уравнений (7) . Наиболее просто это,можно сделать, используя предельные точки

Считая, что F необходимо учитывать при калибровке ЦАП, имеющих 10 разрядов и более, слагаемым нн /2 выражения (9) можно пренебречь. Тогда (9) принимает вид: н

Ь Нб1 4 i+ 11 аН (10) 1

Из которого E = а,„1„-(.— E< — F H) .

i=1

Выходной суммирующий элемент 7

ЦАП 4 может быть как инвертирующим, так и неинвертирующим. С учетом этого окончательное доопределение системы уравнений (7) для ЦАП представленной структуры с инверсией на элементе 7, наиболее просто достигается дополнительным уравнением: доопределение системы уравнений (7) до получения полного решения можно произвести, дополнив ее уравнением: нн Зн 4 э где Ь вЂ” разница, зафиксированная вольтметром 14, между напряжением на выходе ЦАП с включением лишь знаковым разрядом и выходным напряжением дополнительного.инвертора 10 при входном опорном напряжении. Таким образом, дополнив систему уравнений (7) двумя уравнениями (10)-(11) или (12) в,зависимости от типа выходного элемента ЦАП, можно расчитать не только весовые разрядные погрешности, но также определить погрешность знакового разряда. Определив из уравнений (7)-(12) весовые разрядные погрешности, производят калибровку линейности для любой точа ки шкалы по формулам: а „-F где Е; — весовая погрешность i-ro разряда, а — коэффициент, равный 1 или О, в зависимости от того, включен или выключен соответствующий разряд ЦАП.

Нормируемый для микроэлектронных

ЦАП точностный параметр — нелинейность — находится по формулам: к (13)

Н- ., в=а где Е „;, ; — разрядные весовые по+ грешности со знаком "+" или "-", причем k+m=n, если отсутствуют нулевые значения весовых разрядных погрешностей. При абсолютном сохранении для испытуемого ЦАП принципа суперпозиции на всех уровнях преобразования

1317657 ." Е„,.=Е е„; (14) к=о

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. 5

На цифровой вход ЦАП подают коды, поочередно включающие каждый раз весовые разряды преобразователя.

Аналоговые сигналы напряжения, снимаемые с выхода ЦАП 4 и соответвующие разрядным весам, компенсируются на входе дифференциального вольтметра 14 напряжением, снимаемым с выхода делителя 13 напряжения через переключатель 17, если суммирующий элемент 7 ЦАП 4 выполнен неинвертирующим. Если же суммирующий выходной элемент ЦАП 4 инвертирующий, то компенсация выходных аналоговых сигналов ЦАП 4 осуществляют по цепи: делитель 13 напряжения — контакты переключателя 16 — инвертор 10— контакты переключателя 17 — инвертирующий вход вольтметра 14. После этого каждый раз меняют на входе ЦАП 4 цифровой сигнал одновременно с инвертированием на его аналоговом входе опорного напряжения посредством инвертора 10 и переключателей 15 и 16 таким образом, что на выходе ЦАП 4 . создают сигналы, равные, без учета разрядных погрешностей, по модулю и знаку соответствующим разрядным весам. Полученные при этом на выходе дифференциального цифрового вольт- 35 метра 14 разности д,, d» ..., .д„ фиксируются в памяти микроЭВМ 11.

Недостающие для вычисления весовых разрядных погрешностей разности h +» получают следующим образом:

Ф включают все весовые разряды ЦАП 4, компенсируют выходным напряжением делителя 13 сигнал с выхода ЦАП 4 на входе дифференциального вольтметра 14, после чего меняют на входе ЦАП 4 циф- 45 ровой сигнал на код, соответствующий включению знакового и М3Р. Одновременно подключают посредством переключателя 15 выход инвертора 10 к аналоговому входу ЦАП 4. При этом на выходе дифференциального вольтметра 14 получают разность й„+1, которую затем подают на вход микроЭВМ 11. Разности !L получают непосредственно пу9 тем подключения выхода инвертора 10 через переключатель 17 к инвертирующему входу дифференциального вольтметра 14, а затем компенсацией напояжения на его входе сигналом с выхода ЦАП 4 путем включения либо одного

его знакового разряда, либо всех весовых разрядов в зависимости от типа выходного суммирующего элемента 7 (инвертирующий или неинвертирующий).

Далее микроЭВМ 11 согласно выражениям (7-14) обрабатывает результаты измерения до получения Н+ и Н и градуировки характеристики ЦАП в требуемых точках шкалы преобразования.

Формула изобретения

Способ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя, основанный на последовательном для всех его п разрядов измерений первой разности между выходным сигналом калибруемого цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего единичного кода и соответствующим дополнительным сигналом и измерении второй разности между выходным сигналом калибруемого. цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего кода и тем же дополнительным сигналом и последующей обработке результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повьш ения точности калибровки, одновременно с измерением первой разности осуществляют регулировку соответствующего дополни тельного сигнала до достижения первой разностью нулевого значения, измерение второй разности проводят при подаче на вход контролируемого цифроаналогового преобразователя. кодар дополнительного единичному, и при инвертировании его опорного сигнала„ после измерения вторых разностей для всех разрядов осуществляют дополнительное последовательное измерение (и+1)-й первой разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя максимального положительного кода с одновременной регулировкой соответствующего дополнительного сигнала до достижения (n+1)-й первой разностью нулевого значения и измерения (n+1)-й второй разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя кода, дополнительного коду при измерении (и+1)-й первой разности, и при инвертировании его опорного сигнала. После чего измевяют дополнительную разность между

1317657

K . — коэффициент, выбираемый иэ ряда 1/4, 1/4, 3/8, 1/32, 1/32, 3/64, 1/256, 1/256, 3/512, ... соответственно для i=1,2,3,4,5,6,7,8,9,..., определяют погрешность линейности калибруемого цифроаналогового преобразователя по формуле и

Q a;E;, где а (0,1 значение соответствующего разряда для соответствующего кода

1 шкалы преобразования, и интегральную нелинейность калибруемого цифроаналогового преобразователя по формулам

)g+ иgp — положительные значения аб1 солютных погрешностей разгде i=1,2,.., п, — соответствующие измеренные 2О где

1 вторые разности для 1=1, ° ° ° п+1, Е „, — погрешность знакового разряда;

Eö„ — погрешность инвертированного опорного сигнала, инвертированным опорным сигналом и выходным напряжением калибруемого цифроана югового преобразователя при подаче на его вход кода, соответствующего включению только знакового разряда, а при обработке результатов измерения определяют абсолютные погрешности разрядов калибруемого цифроаналогового преобразователя по формуле:

41 d>< д;„ Л»

2 . 2 2 2" зн

+ - + К

tl

Ел= h>+„-(- E - 4н) «э рн = Е н - < g рядов; — отрицательные значения аб1 солютных погрешностей разрядов калибруемого цифроаналогового преобразователя.

1317657

Составитель В.Першиков

Редактор Л.Пчелинская Техред Л.Олийнык Корректор М,Шароши

Заказ 2435/55 Тираж 901 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r,Óæãoðoä, ул.Про оектная 4