Устройство для измерения характеристик случайных погрешностей аналого-цифровых преобразователей

 

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при измерении метрологических характеристик аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устройства. Поставленная цель достигается благодаря использованию более совершенных знако вых алгоритмов измерений, реализация которых потребовала введения аналогового компаратора и новых связей. 3 3.П. ф-ЛЫ, 6 Ш1.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 Н 03 М 1 10

К " 0L"3УЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTQPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO-ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 851 764 (21) 4272860/?4-24 (22) 29.05.87 (46) 07.12.88. Бюл. Р 45 (72) С.Б,Кутыркин, В,С.Шиндов и Г,П.Шлыков (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 851764, кл, Н 03 N 1/10, 12.10,79. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

„„SU „„ 143174 A 2 (57) Изобретение относится к цифровой KQHtpoJIbHo-èýìeðèòåëüíîé технике и может быть использовано при измерении метрологических характеристик аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Целью изобретения является повьппение точности и быстродействия устройства. Поставленная цель достигается благодаря использованию более совершенных знаковых алгоритмов измерений, реализация которых потребовала введения аналогового компаратора и новью связей.

3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1443174

M(U,,) = (3) U = U А sgn(U ) M(U ) +A

-А

rsgn(dr,) M(dn) d4„, Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может бьггь использовано при контроле, поверке и исследовании аналого-цифровых преобразователей, цифровых вольт5 метров, компараторов и пороговых элементов,и является усовершенствованием устройства по авт.св.У 851764.

Целью изобретения является повыше- 1п ние быстродействия и точности измерения второго начального момента инструментальной погрешности АЦП.

На Фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения характеристик случайной погрешности

АЦП, на фиг, 2 - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 — функциональная схема нелинейного элемента; на фиг. 4 — функциональная 20 схема инвертирующего усилителя, на фиг. 5 и 6 — графики Функциональных зависимостей.

Устройство содержит блок 1 цифровой уставки, образцовый преобразова- 25 тель 2 код-напряжение, инвертирующий усилитель 3, нелинейный элемент 4,. управляемый генератор 5 шума, блок

6 сравнения кодов, блок 7 сложения напряжения, коммутатор 8, аналоговый 30 компаратор 9, генератор 10 импульсов, первый реверсинный счетчик 11, переключатель 12, второй реверсивный счетчик 13, делитель 14 частоты и блок 15 управления, аналого-цифровой преобразователь 16.

Блок 15 управления выполнен на первом и втором триггерах 17 и 18, первом и втором элементах И 19 и 20 трех элементах НЕ 21-23, первом и втором интеграторах 24 и 25.

Нелинейный элемент 4 выполнен на трех перемножителях 26-28 и сумматоре 29.

Инвертирующий усилитель 3 выполнен на коммутаторе 30 и дифференци45 альном усилителе 31.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения характеристик случайных погрешностей

АЦП дополнительно введен аналоговый 50 компаратор, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора шума, второй вход — с .общей шиной, а выход соединен с умножающими входами нелинейного элемента, ин- 55 вертора и переключателя.

Введение аналогового компаратора и новых связей позволяет сформировать вспомогательный случайный сигнал с более сложной функцией плотности распределения вероятности и применить алгоритм обработки знаковых функций, обладающий повышенной статистической точностью, Действительно, если видоизменить характеристику преобразования нелинейного элемента следующим образом:

U = AIU I вдн(Ц,„), ()) то вспомогательный случайный сигнал будет иметь распределение Uz I /A при I U I «с А;

О при П (1) А, (2) При некотором усложнении характеристики преобразования ннвертирующего усилителя распределение вида (2) преобразуется в (A - П,„!) /А2 при ) U 1 A;

0

Графики функций распределения M(U +) и M(U ) представлены на фиг. 5, Используя вспомогательные случайные сигналы с распределениями (2) и (4) для Формирования знаковых функций получаем

+А

M(sgn(dn-U((IU = --; A1„ здп(()„)х

-A и(л„) ал„; и

2 m I(à (I) М(звп(а -U )j — — -- ——

)) ((A где M(5 ) — плотность распределения (Просуммировав эти выражения, находим

m<(A„) = (Mfsgn(I„-Us))+M(sgn(Dsз 1443

Для получения информации о втором начальном моменте находим математическое ожидание произведения sgn(d„-Uui} ° sgn(U>), при этом отметим, что

sgn(U ) = sgn(U(„);

+А

M(sgn(LL„-U.) sgn(U„)) = t W(d„) f. 2 °

Ьп, -Ь

lUul + 1

s gn { U ()) ) d U - 1 ) д Ь „= — 1-ш (Ь )) - 1 0 о откуда

m1 ())) =А™(зКп (Ь л-тта) sgn®ш)+А 3 . (5) 15

Можно показать, что дисперсит1 оцеи Л нок m,(Ä,) и m <(4„), получаемых на основе полученйых новых выражений, равны

))(т (а„)) - (А -т (Л )-(A 6л 1

25 (б) — тп (1„)) I; и

D(mg (Ь„)) = — — — 2Аа-mg(d„)7, (7) л тт(Ь)

)т где В = — —, ) h „sgn(A„) W(aÄ)deÄ.

-А

Для тех же исходных данньм, что и для уравнений известного алгоритма объемы выборки для получения разброса оценок не более 10X,получаем из (6) q -т 140, а из (7) q v(1700.

Незначительный проигрыш в оценке л

m,(Ь„) с избытком компенсируется уменьшением почти в 8 раз объема выборки, необходимого для получения 40 равноточной оценки тп<(д „). На фиг. б, приведены зависимости известного алгоритма (кривая 1) и предлагаемого алгоритма (кривая 2), полученные для импульсного случайного сигнала, 45 обладающего максимально возможным отношением дисперсии к размаху сигнала. Из графика видно, что предлагаемый алгоритм обладает существенно лучшими точностными свойствами во всем диапазоне измерений, чем известный алгоритм.

Для реализации предлагаемого нового алгоритма, обладающего повышенной статистической точностью, необходимо изменение вида функции распределения вспомогательного случайного сигнала

U +(1, для чего требуется формирование сигнала sgn(U ), используемого

174 также при обработке знаковой функции в соответствии с формулой (5) для получения значений m<{8 ) . .Таким

)) образом, введение аналогового компаратора для формирования сигнала

sgn(U ) и введение новых связей аналогового компаратора с нелинейным элементом, инвертором и переключателем обеспечивают значительное повышение точности (при равных объемах выборки Я в основном и предлагаемом устройствах) или соответствующее сокращение времени измерения (при равноточных измерениях).

Устройство работает следующим образом.

Перед запуском устройства необходимо занести в блок 1 цифровой уставки код контролируемой точки диапазона контролируемого АЦП. При этом образцовый преобразователь код-напряжение 2 должен воспроизвести напряжение, соответствующее номинальной гра нице перехода между соответствующими смежными ступенями квантования контролируемого АЦП. В исходном ccf— тоянии генератор 10 импульсов блокирован и на управляющий вход управляемого генератора 5 шума, запускающий вход контролируемого АЦП и на вход делителя 14 частоты импульсы не поступают.

При подаче сигнала "Пуск" блок

15 управления осуществляет сброс первого реверсивного счетчика 11, предварительную установку второго реверсивного счетчика 13 в состояние, соответствующее хранению числа А согласно выражению (5), и выдает сигнал, разрешающий работу генератора 10 импульсов. Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают на управляющий вход управляемого генератора

5 шума, который вырабатывает вспомогательный случайный сигнал Uù с равномерным законом распределения вероятности. Вспомогательный случайный сигнал U„, поступает на вход аналогового компаратора 9, который формирует сигнал sgn(U+), и íà вход нелинейного элемента 4, формирующего, согласно выражению (1), вспомогательный случайный сигнал U с распределением (2). С выхода нелинейФ ного элемента 4 сигнал U()поступает на первый вход коммутатора 8 и на вход инвертирующего усилителя 3, преобразующего его, согласно выраже1443 нию (3), в сигнал U„, с распреде11е— нием (4), который поступает па второй вход коммутатор-.. 8,.

Импульсы G выхода Iгенератора 10 импульсов поступают также на вход запуска контролир уемого 11ДП 16 и на вход делителя 14 частоты, который

«по второму вь1ходу Выкает подепе13ньй на два по частоте выходной си1ktaJ:. генератора 14 импульсов на упраВ1ть11ь 1<11й вход коммутатора 8 и ьта вход пере К11ю-чателя 12. Причем при по ключники коммутатора 8 к первому вход- блока

7 сложения напряжения сигна .. а 0 .. о, новременно по управляющему Hхoв,у р .з решается прохождение сиг11апо» через переключатель 1 2, В момент подключе-ния коммутатором 8 сигнала. U,„H первому входу блока 7 сложения;-1апряае/ния запр ешается пр oêo:1:ãt е.1и е сигналов через пегеключатель : 2, В блоке 7 сложения,1а п3 11ж.- н:-1я изводится спожент е 11апряжений с выхо-да образцового преобразователя 2 код-напряжение и Выхода ка. 1мутато;:а

8, сумма которых поступает нB t-.-.:; o<1 контролируемого АЦП 16,. кот.;рь й, В

СВОЮ ОЧЕРЕДЬ, ВЫДаЕт C .-:OTÃÅT Ст:;; —, щий поданному напря;;ieHki

30 цу, а при отрипательцом з зачепии,, кодируемом высоким уро131:,ем, -.; .1еп< ша-. ется на единицу., Для реал11зап1 1 операции умножения sgkl. (1,,—. » ) Bgtt (U..<, переключатель 1 2 выполня. 3 функ.;ktkc сложения по модулю два, при этом

Яяп (П. ) кодир; ется аналогич 1О йу<11-ции sgn(d„,-1.,,, ) . При ну;1евом коде

< ) произведения sgU., l!,„-.U;,, sgti (П, ) содержимое второго рe

HocJIe пОстУпле 1иЯ 11Я В1 О,, ДP11<. " -.— ля 14 2 0 имг<ульсоз HB еi.

КОД> ПролорцИОЯалЬЬЬЬ1 ОП Нке «iBTe"

МоМ низким ур013Heii лОГ 1=1 pcKGÃÎ сиГ—

< нала. содержимое первого реверсивного "СЧЕтЧИКа 11 уГЕЛИЧИВаЕтСя Па Е,;ьни174 6, ° матического ожидания m, (л„), а во втором реверсивном счетчике 13 — код, HpoTtopvkIoHBJIk HtIkt оценке второго начального момента 133 (л „) инструменTBJtk,1Iой погрешности, При выборе cooтветствую.цих соотношений между А и

Ц масштабирование полученных кодов может быть осуществлено простым переносом десятичной или двоичной заятой в зависимости от типа испольт емых реверсивных счетчиков.

Особое внимание след 1ет обратить . а peзраоотку делителя 14 частоты, так как при рациональном выборе схемы Гелителя 1 частоты открывается лополн33тельная возможность уменьшения времени измерения. В известном устройстве для измерения п3 (а„) принципиально необходимы сигналы

U, „ и П,,а в предлагаемом достаточ+ по только 01„,, поэтому, учитывая, что .Ля изме13ения требуется значительно .-..H".-,IHé объем выборки, можно сократит., общий объем измерений. Для по,1

".уче11ия разброса оценок и (д„) в из13e G T tioì у стр ойств е необходимо выбрать

33000, т.е, Общий объем измерений составляет 2 .Q = 26000, хотя для измерения m.,(й,) достаточно g = 130, т. е. 2 () = 260. В предлагаемом устройстве достаточно для измерения

1<,.(ä„) выбрать 0 1700 и для измерения п1 (a„) () i 140, т.е. суммарный

Объем измерений может составлять

"700 + 140 = 1840 измерений. При этом сгедует несколько изменить порядок управления первым реверсивным счет-. иком 11 и Формирование управляющего сигнала по второму выходу делителя

14 частоты. Здесь процeco измерений делится па два цикла: первый цикл состоит из 1560 измерений, а второйиз 280, В первом цикле переключатель 12 открыт постоянным сигналом с Втор >ro выхода делителя 14 частоты, а коммутатор 8 тем же сигналом коммутирует на первый вход блока 7 сложения напряжения сигнал U с выхода нелинейного элемента 4, т,е.

О< ущес."Hëkiется измерение только .з,(.;,)„ lo оксччании первого цикла сиг:1ал с второго выхода делителя 14 †.BcToты меняет свой характер — становиTGs 1.мпульсным,как в известном устройстве,и начинается измерение m,(D„), и одновременно продолжается измерени-" ш,(й,), Чтобы накопившийся в первом реверсивном счетчике 11 код не

14431 74 исказил результат измерения, его необходимо сбросить, Для этого второй выход делителя 14 частоты соединен с третьим входом блока 15 управления, 5 тогда при изменении характера сигнала на втором выходе делителя 14 частоты (по фронту импульсного сигнала) блок 15 управления вырабатывает допол. нительный сигнал сброса первого реверсивного счетчика 11. Завершение процесса измерения осуществляется через 1840 измерений, а не через

3400, как в известном устройстве. Таким образом, достигается повышение быстродействия. То есть введение связи между вторым выходом делителя частоты и третьим входом блока управления позволяет повысить быстродействие устройства для измерения ха- 2О рактеристик случайных погрешностей

АЦП.

Фор мула изобретения

1. Устройство для измерения харак— теристик случайных погрешностей аналого-цифровых преобразователей по авт. св. и 8517б4, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения второго начального момента инструментальной погрешности, в него введен аналоговый компаратор, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора шума, второй

35 вход является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с умножающими входами нелинейного элемента, инвертирующего усилителя и переключа- 40 теля, второй выход делителя частоты соединен с третьим входом блока управления.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок управ- 45 ления выполнен на первом и втором триггерах, первом и втором элементах

И, трех элементах НЕ и первом и втором интеграторах, входы которых соединены с выходами соответствующих

50 первого и второго элементов НЕ, а выходы подключены к первым входам соответствующих элементов И, вторые входы которых объединены с входами соответствующих первого и второго элементов НЕ и подключены к прямым выходам соответствующих первого и второго триггеров, прямой выход последнего из которых является первым выходом блока управления, вторым и третьим выходами которого являются соответственно выходы первого и второго элементов И, R-вход второго триггера является первым входом блока управления, третьим входом которого является вход третьего элемента НЕ, выход которого подключен к S-входу первого триггера, R-вход которого объединен с S-входом второго триггера и является вторым входом блока управления.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что нелинейный элемент выполнен на первом, втором и третьем перемножителях, сумматоре и элементе с нелинейной характеристикой, выполненном на диоде, анод которого подключен к выходу сумматора, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго перемножителей, входы последнего из которых объединены с первым входом третьего перемножителя и подключены к катоду диода, первый вход первого перемножителя является информационным входом нелинейного элемента, выходом которого является выход третьего перемножителя, второй вход которого объединен с вторым входом первого перемножителя и является умножающим входом нелинейного элемента.

4. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что инвертирующий усилитель выполнен на коммутаторе и дифференциальном усилителе, выход которого является выходом инвертирующего усилителя, информационным входом которого является первый вход дифференциального усилителя, а умножающим входом — управляющий вход коммутатора, первый и второй информационные входы которого являются соответственно шинами положительного и отрицательного постоянного напряжения, выход коммутатора соединен с вторым входом дифференциального усилителя, 1443174

Фиг. r

Om 1Ы (3трй дикод)

4Ъ|ЪХ3 ( г

14431 74

1443174

Составитель Ю.Спиридонов

Редактор В.Бугренкова Техред JI.0äHHùù . Корректор И.Муска

Заказ 6396/55 Тираж 929 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г ° Ужгород, ул. Проектная, 4