Устройство контроля цифроаналоговых преобразователей

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Цель изобретения - повышение надежности . Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, первый и второй преобразователи ток - напряжение, выполненные на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи 4 и 5, аналоговые переключатели б и 7, вольтметр 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок 10 управления, вспомогательный ЦАП 11, входные шины 12 и выходные шины 13- 15. Введение регулируемого элемента 5 обратной связи второго операционного усилителя 3, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом вспомогательного ЦАП 11 и с вторым неподвижным контактом первого аналогового переключателя б, позволяет повысить надежность устройства . 1 ил. у Ё Ч| XI VJ hO СО 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 М 1/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4842453/24 (22) 25.06.90 (46) 23.11.92. Бюл. ЬЬ 43 (71) Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (72) Г.С.Власов, А.Н.Лугин, Н.И.Чернышев и Г,П.Шлыков (56) Полупроводниковая электроника и техника связи. Под ред. И.Ф.Николаевского, вып. 27. — М,: Радио и связь, 1988. с. 187.

Авторское свидетельство СССР

Ф 145538, кл. Н 03 М 1/10, 1987. (54) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).,, Я2„„1777238 А1

Цель изобретения — повышение надежности. Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, первый и второй преобразователи ток — напряжение, выполненные на операционных усилителях

2 и 3 и элементах обратной связи 4 и 5, аналоговые переключатели 6 и 7, вольтметр

8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок 10 управления, вспомогательный ЦАП

11, входные шины 12 и выходные шины 1315. Введение регулируемого элемента 5 обратной связи второго операционного усилителя 3, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом вспомогательного ЦАП 11 и с вторым неподвижным контактом первого аналогового переключателя

6, позволяет повысить надежность устрой-. ства. 1 ил.

1777238

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с автокоррекцией (см, Хлюстов

Г.А. и Берглезов С.M. Структурный метод повышения точности цифроаналогового преобразователя. Сб. Полупроводниковая электроника в технике связи под ред, И.Ф.Николаевского, вып. 27, М.: Радио и связь, 1988, с, 187, рис. 4), содержащий и номинальных источников(НИ), и номинальных корректирующих источников (НКИ), и запоминающих устройств, устройство управления, входной регистр, операционный усилитель с цепями подключения.

Недостатком известного устройства является его высокая структурная и алгоритмическая сложность, связанная . с реализацией алгоритма поразрядного уравновешивания.

Известно устройство для измерения нелинейности цифроаналоговых преобразователей (см. авт. св, СССР hh 773311558844, кл. Н

03 К 13/34), содержащее генератор импульсов, счетчик, опорный ЦАП, блок регулировки опорного ЦАП по крутизне, дифференциальный усилитель и нуль-орган, ключ, пиковые детекторы, инвертор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, контролируемый

ЦАП и клеммы подключения контролируемого ЦАП, Алгоритм определения нелинейности

ЦАП известного устройства использует следующее свойство: для ЦАП двоичного кода вследствие действия погрешностей отдельных эталонных резисторов реальная характеристика симметрична относительно точки

Nvaxc/2, расположенной на идеальной характеристике, которая представляет собой прямую линию. А прямая линия, линеаризирующая реальную характеристику наилучшим образом, проходит через ее центр симметрии.

Известное устройство обладает ограниченной точностью из-за наличия погрешности за счет высокого уровня синфазных сигналов на входе дифференциального усилителя.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения нелинейности ЦАП (см. авт. св. СССР

N 1455389, кл. Н 03 М 11//1100)), представляющее собой по существу самоповеряемый

ЦАП и содержащий основной и вспомогательный токовые цифроаналоговые преобразователи, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, а

10 ральной линейности. вого сигнала.

15 На чертеже представлена функциональ20

40

30 входы через переключатели подключены к входам преобразователей ток — напряжение, выходы которых подключены к входам вольтметра, Недостатком известного устройства— прототипа является его недостаточная надежность, связанная с наличием большого количества переключателей, реализующих алгоритм измерения погрешности интегЦелью изобретения является повышение надежности устройства путем сокращения числа элементов коммутации аналогоная схема устройства, Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, два преобразователя ток — напряжение, выполненные соответственно на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи (резисторах) 4 и 5, два аналоговых переключателя 6 и 7, вольтметр 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок управления 10, вспомогательный ЦАП 11, две входные шины 12 устройство и три выходные шины 13 — 15.

При подключении контролируемого

ЦАП его аналоговый вход обьединяется с аналоговым входом вспомогательного ЦАП

11, одновременно подключается к выходу источника 1 опорного напряжения и является второй выходной шиной 14 устройства, а первая выходная шина является цифровым входом контролируемого ЦАП и первым информационным выходом блока 10 управления. Вторые информационные выходы . блока 10 управления подключены к цифровому входу вспомогательного ЦАП.

Первая входная шина 12 подключена к первому аналоговому выходу контролируемого преобразователя и к подвижному контакту первого аналогового переключателя 6.

Первые неподвижные контакты аналоговых переключателей 6 и 7 соединены с общей шиной, вторые неподвижные контакты переключателей 6 и 7 подсоединены к входам преобразователей тока в напряжение (контакт первого переключателя — к входу второго преобразователя тока в напряжение, и наоборот), причем управля ющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 подключены дополнительной шиной к выходам блока 10 управления.

Третий выход 15 устройства является выходом первого преобразователя ток — напряжение и подключен к первому аналоговому входу цифрового вольтметра 8, второй аналоговый вход которого соединен с выходом второго преобразователя тока в напря1777238 жение, а цифровой выход вольтметра 8 соединен с входом отсчетно-регистрирующего устройства 9.

Устройство контроля ЦАП работает следующим образом и реализует следующий алгоритм измерения.

В начальный момент времени с блока 10 управления на управляк щие входы вспомогательного ЦАП 11 и контролируемого ЦАП поступают нулевые значения кодов:

N1=00...0 и юг=00...0, а на управляющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 — сигналы, устанавливающие на вторых выходах . ЦАП нулевой потенциал общей шины. При этом на входы цифрового вольтметра 8 поступает напряжение

U1(00.„0)=0ñì1 и 02(00...0)=0смг, где 01(00...0) — выходной сигнал, преобразованный в напряжение контролируемого

ЦАП при сигнале на его цифровом входе й1=00...0;

Uz(00...0) — выходной сигнал, преобразованный в напряжение вспомогательного преобразователя 11 при сигнале на его цифровом входе Иг=00...0;

Ос« — напряжение смещения первого операционного усилителя 2;

Осмг — напряжение смещения второго операционного усилителя 3.

При этом вольтметр 8 фиксирует напряжение, равное

Ам=0см1 Осм2

На втором этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаются подключены к общей шине, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 поступает максимальный код N1=11...1 и (юг=11...1. При этом на входы цифрового вольтметра 8 поСтУПаЮт аНаЛОГОВЫЕ СИГНаЛЫ (Umax1+Осм1 )

И (Umaxz +UcM Z) РЕГУЛИРОВКОЙ ПОДСтРОЕЧНОro резистора 5 устанавливают нулевое значение выходного напряжения вольтметра 8. (Umax1 +UcM1 НОтахг +Осм2 )=0 (2)

Umax1, Umax2 — максимальные Действительные значения характеристик преобразователей ЦАП при отсутствии смещений операционных усилителей 2 и 3.

На третьем этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаются в прежнем положении, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 подается код на включение одного старшего разряда

N 1=10...0 и N2=10.„0.

При этом коды N1 и Nz преобразуются в ток и далее в напряжение. поступающее на вход вольтметра 8 д1=0 1(1oo...о)-U2(1oo...о)=0н 1-(Й+

+ Осм1 ) (Он2 (Й +Осмг )) (3) где 0» -Онг — номинальное значение на5 пряжения при коде преобразования

N1=N2=10...0 на аппроксимирующей прямой: и — значение нелинейности в середине шкалы для контролируемого ЦАП;

10 Л1 — значение нелинейности в середине шкалы для вспомогательного ЦАП 11.

Уравнение (3) для третьего этапа будет преобразовано к виду

15 д 1- Л1 - Ь1- см. (3) 35. где Йа — нелинейность контролируемого

ЦАП в точке характеристики, соответствующей двум включенным старшим разрядам.

Так как ток, поступающий на вход конт40 ролируемого ЦАП от опорного источника 1, - равен сумме токов, поступающих с первого и второго выходов контролируемого ЦАП, то оп=. I1(ы1)+11(ч1), а !baal = I hat — модули равной и противоположны по знаку погрешности нелинейности.

Поэтому (5) можно представить в виде дг=й -2 Ж-h M. (6) На следующем, пятом, этапе на контролируемый ЦАП подают код Й1=1110...0. соответствующий включению трех старших разрядов, а вспомогательный код йг=110...0. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал дз-01(1110...0) — (U2(110...0)+

+01(00011...1))= Он 1 (й+Осм1)(0 н2 (Й+Осмг +

+он1- ha)= Ж -2 ЬЗ- Ам, (7)

Таким образом, увеличивая с каждым последующим этапом количество включаеНа четвертом этапе включают посредст- вом блока 10 управления два старших разряда контролируемого ЦАП, оставляют

20 включенным старший разряд вспомогательного преобразователя 11 и переключают аналоговый переключатель 6 таким образом, что точка подключения инверсного входа второго операционного усилителя 3

25 становится точкой, суммирующей токи первого выхода вспомогательного преобразователя 11 и второго выхода контролируемого ЦАП. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал

30 д2=01(110...0)-(U2(10...0)+01(001...1))=

=Он1 (Ж+Осм1 ) (Он2 (Ь1+Осмг) +

+ U» - й). (5)

Он1 =Он2 +Он1, 1777238 дн — -- h n-1 — 2А- Ам.

10 дп-1=А -h1-йм, (10) па, д n+2=2 Ж - h2- Ам, а для 2n-ro этапа . д 20-1=2 hn - hn-1- Ам, (1 2) (13) мых разрядов основного преобразователя, получили и уравнений:

На (п+3)-м этапе переключатель 6 устанавливают подвижным KollTGKToM на шину нулевого потенциала, а перекл очатель 7устанавливают подвижным контактом на соединение с суммирующим входом первого операционного усилителя 2 и процесс повторяют аналогично четвертому (n+2)-му этапам, с той лишь разницей, что управляющие коды саэначением N1, поступившие на контролируемый ЦАП, теперь подают на всп ам огател ьн ый и реобраза ватель 11. Та же самое касается кодов N2 с указанным ранее значением, поступавших на вспомогательный преобразователь 11, а с (и+3)-ro этапа — на основной.

То есть íà (n+3)-м этапе на вход вспомогательного ЦАП 11 с блока 10 управления подают код N2=1100...0, а на вход контролируемого ЦАП код N1=-100...0.

При этом вольтметр 8 регистрирует c«гнал

4n+1=(U1(10„.0)+U2(0011...1))-U2(110„.0)=

= ((.)н1-(h 1+Ucv2)+Uii2" А2)-(0н2 (hP+

+ Осм2 11. где 0н1+(1н2 =Он2, а Ih2 I = Ih2 I и величины противополо>кны по знаку, Раскрыв (9) получим

По аналогии получили для (n+4)-го этагде и — количество разрядов контролируемого и вспомогательного ЦАП, Таким образом уравнения (4), (6) — (8), (10) — (12) образуют систему из 2 -1 уравнений с 2,-неизвестными погрешностями локальных иелинейностей.

Данную систему можно дополнить уравНЕИИЕМ (2) СЧИтая Чта Омакс1 = 0нмакс hn (-) макс2 =(-)нмакс - п °

Подставив эти значения в(2) получим

Полученная палность1о определенная система уравнений легко решается, являясь при этом более наглядной, если предварительно преобразована к следующему виду д1 =- (й - й) - Ал д2+д -1 =(й -Ь)+2(й -й)-2 и дз + да+2 = (h2 - Ъ) + 2 (hO - Ь3) - 2 см дп + д2п-1 = (. п-1 - hn-1) + 2 (п - Лп)-2 Ам (hn - hn ) = h M

Полагая, что все значения д 1... д;„, д и... д2п-1, йм полУчены пУтем- измеРенил на ранних этапах, легко определить все локальные нелинейности Л 1основного и h ; вспомогательного преобразователей.

Решение еще более упрощается, если считать, например, что в процессе сведения

- конечных точек преобразователей за полюс отсчета принимается крайняя точка харак20 теристики одного из преобразователей, например контролируемого. Тогда в уравнении (13) и в последнем уравнении системы (14) hn принимается равным нулю.

Исследование линейности ЦАП описанным способом базируется на свойстве симметрии двоичных резистивных делителей (см. например, описание аналога авт.св.

СССР N 731584, кл. Н 03 К 13/34), на базе которых выполнены вспомогательный и

30 контролируемый ЦАП, Все локальные погрешности линейности как контролируемого ЦАП, так и вспомогательного: 4 и Л вычисляются в отсчетно-регистриру1ащем устройстве 9, а затем из hl-6п определяется максимальное значение, которое и принимается за нелинейность преобразователя.

В сравнении с известным устрайствоглпрототипом па авт.св. СССР М 1455389. кл.

Н 03 M 1/10, предложенное устройство содержит на шесть меньше аналоговых ключей, которые находятся в цепях измерительного сигнала.

Блок 10 управления в самом элементарном виде Mo>KGT быть выполнен наборным полем с ручным управлением, либо представлять из себя набор регистров с внешним управлением па программе 3ВМ.

В связи с этим повышается надежность

50 предложенного устройства при полном сохранении свойств измерения нелинейности

ЦАП по всему диапазону преобразования.

Формула изобретения

Гй

Устройство контроля цифроаналоговых преобразователей, содержащее первый и второй преобразователи ток-напряжение, выполненные на элементе обратной связи и операционном усилителе, выходы первого и

17?7238

Составитель Г. Власов

Техред M.Моргентал Корректор Л. Лисина

Редактор Г. Бельская

Заказ 4127 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 второго операционных усилителей подключены к первому и второму входам вольтметра, выходы которого соединены с соответствующими входами отсчетно-регистрирующего устройства, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются шиной нулевого потенциала, а инвертирующие через соответствующий элемент обратной связи подключены к выходу соответствующего операционного усилителя, первый и второй аналоговые переключатели, выводы первых неподвижных контактов которых являются шиной нулевого потенциала, вывод подвижного контакта первого аналогового переключателя является первой входной шиной, вывод подвижного контакта второго аналогового переключателя соединен с первым аналоговым выходом вспомогательного цифроаналогового преобразователя, управляющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с первым и вторым управляющими выходами блока управления, первые информационные выходы которого являются первой выходной шиной, а вторые соединены с соответствующими информационными входами вспомогательного цифроаналогового

5 преобразователя, аналоговый вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения и является второй выходной шиной устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, 10 второй элемент обратной связи выполнен управляемым, вход управления которого обьединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, с выводом второго неподвижного контакта первого

15 аналогового переключателя и подключен к второму аналоговому выходу вспомогатель ного цифроаналогового преобразователя, инвертирующий вход первого операционного усилителя объединен с выводом второ20 го неподвижного контакта второго аналогового переключателя и является второй входной шиной, а выход первого операционного усилителя является третьим выходом устройства.