Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналоговых преобразователей
Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено для осциллографического измерения времени установления высокоразрядных ЦАП и является усовершенствованием основного изобретения по а.с. СССР We 1275766. Цель изобретения - повышение точности измерения . Время установления определяется по моменту последнего вхождения переходного процесса в зону установления, ограниченную пороговыми уровнями. Установившийся сигнал ЦАП компенсируется напряжением регулируемого источника. Пороговые уровни формируются путем деления опорного напряжения и через ключи поочередно с переходным процессом подключаются на вход сумматора. На экране осциллографа за счет соответствующей синхронизации обеспечивается одновременное наблюдение переходного процесса и пороговых уровней. В тактах формирования пороговых уровней замыкается цепь коррекции усилителялограничителя, полоса пропускания последнего сужается и эффективное значение шума, искажающего пороговые уровни, уменьшается. В устройстве содержатся формирователи импульсов, сигналы которых через элементы ИЛИ и ЗАПРЕТ блокируют запуск развертки осциллографа на время переходных процессов скорректированного усилителя-ограничителя . 4 ил. (Л С
сОюз сОВетских
СОЦИАЛИСТИНЕСкИХ
РЕСПУБЛИК
5!)5 Н 03 М 1/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ,,„", "„." цц„ /
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ!
i "С (61) 1275766 (21) 4848090/24 (22) 09.07.90 (46) 30.11.92. Бюл. ¹ 44 (71) Гомельский политехнический институт (72) Е.Г.Абаринов, 10.А.Козусев и А.И.Разин (56) Авторское свидетельство СССР
N 1275766,,кл. Н 03 М 1/10, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ УСТАНОВЛЕНИЯ ВЫХОДНОГО
СИГНАЛА ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗ О ВАТ ЕЛ Е Й (57) Изобретение относится к злектроизмерительной технике, предназначено для осциллографического измерения времени установления высокоразрядных ЦАП и является усовершенствованием основного изобретения по а.с. СССР ¹ 1275766. Цель изобретения — повышение точности измерения. Время установления определяется по моменту последнего вхождения переходного процесса в зону установления, ограниИзобретение относится к области измерительной техники, в частности к осцилло- . графическим измерителям динамических параметров ЦАП.
По основному изобретению по авт.св. N.
1275766 Н 03 M 1/10 известно устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналоговых преобразователей, содержащее генератор импульсов, выход которого соединен с входом синхронизации осциллографа, первым входом элемента И и через делитель частоты — с входом регистра сдвига, первый вы„„ЯХ„„1778о10 А2 ченную пороговыми уровнями, Установившийся сигнал ЦАП компенсируется напряжением регулируемого источника, Пороговые уровни формируются путем деления опорного напряжения и через ключи поочередно с переходным процессом подключаются на вход сумматора. На экране осциллографа за счет соответствующей синхронизации обеспечивается одновременное наблюдение переходного процесса и пороговых уровней, В тактах формирования пороговых уровней замыкается цепь коррекции усилителя ограничителя, полова пропускания последнего сухкается и эффективное значение шума, искажающего пороговые уровни, уменьшается. В устройстве содержатся формирователи импульсов, сигналы которых через элементы ИЛИ и 3АПРЕТ блокируют запуск развертки осциллографа на время переходных процессов скорректированного усилителя-ограничителя. 4 ил. ход которого соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены с шинами логических нуля и единицы, выход элемента И соединен с управляющим входом коммутатора кодов, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго регистров; а выходы коммутатора являюгся выходной шиной кодов устройства, второй итретийвыходы регистра сдвига соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, информацион1778910 н.>Ip. входы которых через делители напряжения соединены с выходами источника опорных напряжений, адин из которых соединен с выходной шиной аггорного напряжения устройства, выходы ключей соединены с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряжения, а третий вход соединен с входной шиной устройства. выход сумматора через усилитель-ограничитель соединен с информационным входом осциллографа, В известном устройстве статические погрешности ЦАП, осциллографа, сумматора и усилителя-ограничителя не влияют на резульгат измерения, т.к, на экране осциллографа одновременна наблюдаются усиленны=- переходный процесс выходного сигнала ЦАГ1 и опорные уровни, задающие зануустанавления. П!ял контроле ЦАП с чис- 20 лом разрядов 12-16 шумы ЦАГ!, сумматора и усилителя-аграничигеля соизмеримы с шириной зоны установления — +. 0,5 младшега разряда. При этом, шумы ЦАП и измерительного канала накладываются как на переходный процесс, так и на опорные уровни зоны установления, что приводит к погрешности определения моментов пересечения сигнала ЦАП опорных уровней. Таким образом. недостатком известного устройства является недостаточная точность при измерении времени установления сигнала высокаразрядных ЦАП, Целыа изобретения является повышение точности измерения времени установления выходного сигнала высокоразрядных
ЦАП за счет фильтрации шумов ЦАП и измерительного канала при формировании опорных уровней.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналоговых преобразователей, содержащее генератор импульсов, выход которого соединен с входом синхронизации осциллографа. первым входом элемента И и через делитель частоты — с входом регистра сдвига, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого соединен с выходом переключателя, первь1й и второй входы которого соединены с шинами логических нуля и единицы, выход элемента И соединен с управляющим входом коммутатора кодов, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго регистров, а выходы коммутатора являются выходной шиной кодов устройства, второй и третий выходы регистра сдвига соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых через делители напря>кения соединены с выходами источника опорных напряжений, адин из которых соединен с выходной шиной опорного напря>кения устройства, выходы ключей соединены с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряженияия, а третий вход соединен с входной шиной устройства, выход сумматора через усилитель-ограничитель соединен с информационным входом осциллографа, введены два формирователя импульсов, элемент коррекции, выполненный на конденсаторе, третий ключ, два элемента ИЛИ и элемент ЗАПРЕТ в разрыв связи выхода генератора импульсов и входа синхронизации осциллографа, второй вход элемента
ЗАПРЕТ соединен с выходам первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого соответственно через первый и второй формирователи обьединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ и подключены соответственно к второму и третьему выходам регистра сдвига, при этом выход второго элемента ИЛ И соединен с управляющим входом третьего ключа, выход которого является шиной нулевого потенциала, а информационный вход через конденсатор соединен с дополнительным входом усилителя-ограничителя.
Сущность изобретения заключается в уменьшении верхней граничной частоты усилителя-ограничителя в тактах формирования опорных уровней зоны установления за счет замыкания корректирующего конденсатора в цепи коррекции с помощью третьего ключа. Это позволяет уменьшить влияние шума на точность сравнения, т.к. опорные уровни формируются не шумящим" — скорректированным усилителем, Учитывая, что действующее значение "белого" шума пропорционально корню квадратному из полосы частот, то уменьшение полосы пропускания на два порядка позволяет на порядок уменьшить влияние "белаго" шума при формировании уровней + 0,5
МР, Эффект снижения шумов еще более значителен, если шум не "белый", а высокочастотный (с преобладающими высокочастотными составляющими), В такте формирование переходного процесса полоса пропускания усилителя-ограничителя должно быть максимальной (корректирующий конденсатор отключен), в противном случае динамические искажения приведут к погрешности измерения. При этом, поскольку происходит сравнение зашумленного и незашумленного сигналов, фильтрация шумов при формировании
1778910
55 опорных уровней позволяет уменьшить ошибку сравнения в 1,3-1,4 раз, без увеличения динамической и статической погрешностей.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг, 2 — временные диаграммы сигналов элементов устройства; на фиг. 3 и 4 — осциллограммы соответственно при отключенном и включенном фильтре. поясняющие положительный эффект.
Устройство (фиг,1) содержит генератор импульсов 1, делитель частоты 2, регистр сдвига 3, осциллограф 4, элемент И 5, переключатель 6, регистры кодов 7 и 8, коммутатор 9, источник компенсирующего напряжения 10, сумматор 11, усилитель-ограничитель 12 с каскадами усиления 29 и 30, источник опорного напряжения 13, делители напряжения 14, 15, ключи 16, 17, фильтрующий конденсатор 18, ключ 19, элементы
ИЛИ 20, 21, формирователи импульсов 22, 23, элемент ЗАПРЕТ 24, выходную шину кодов 25, входную шину 26, выходную шину опорного напряжения 27, для подключения контролируемого ЦАП 28.
Выход генератора импульсов 1 соединен с первым входом элемента И 5 и входом элемента ЗАПРЕТ 24 и через делитель частоты 2 с входом регистра сдвига 3, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И 5. Третий вход элемента И соединен с переключателем 6, а выход — с входом управления коммутатора 9, информационные входы которого подключены к выходам регистров кодов 7 и 8. Второй и третий выходы регистра сдвига 3 соединены с входами управления ключей 16 и 17, входами элемента ИЛИ 20 и через формирователи импульсов 22 и 23 с входами элемента ИЛИ 21, выход которого соединен с управляющим входом элемента
ЗАПРЕТ 24. Входы ключей 16 и 17 соединены с выходами делителей 14 и 15, а выходы подключены к первому входу сумматора 11, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряжения
10, а третий вход — с входной шиной 26.
Выход сумматора через усилитель-ограничитель 12 соединен с входом осциллографа
4. Выход коррекции усилителя-ограничителя 12 через конденсатор 18 и ключ 19 соединен с общей шиной, а вход управления ключа 19 соединен с выходом элемента
ИЛИ 20. . Устройство работает следующим образом.
В регистры 7 и 8 заносятся требуемые коды N< и N2, переключателем 6 с помощью сигнала лог.0 элемент И 5 блокируется, к контролируемому ЦАП 28 подключен код М2
35 регистра 8. С помощью регулировки источника 10 сигнал ЦАП компенсируется оператором. Затем переключателем б подается сигнал логической единицы на вход элемента И 5. Импульсы генератора с периодом повторения То (фиг.2а) через делитель частоты 2 с коэффициентом деления m (фиг.26), поступают на вход регистра сдвига 3, на выходах которого формируются импульсы длительностью T> = T2 = Тз = тТо, задающие длительность трех периодически повторяющихся тактов (фиг.2в,г,д).
В первом такте Ti через элемент И 5 импульсы генератора 1 поступают на вход управления коммутатора 9, на интервал
То/2 к ЦАП подключается исходный код N> регистра кодов 7, В момент окончания импульсов генератора 1 на входах ЦАП 28 происходит смена кодов N - Ng, начинается контролируемый переходный процесс, установившееся значение которого на выходе сумматора 11 равно нулю благодаря компенсации установившегося сигнала напряжением источника 10, Усиленный процесс поступает на вход осциллографа 4 (фиг.2е), а запуск развертки также осуществляется в момент смены кодов N> Nz, т.е. s момент начала переходного процесса по окончанию импульсов генератора 1, поступающих через элемент ЗАПРЕТ 24 (фиг.2и).
Во втором такте Тг замыкается ключ 16, к сумматору подключается опорный уровень +0,5МР делителя 14, а в третьем такте через ключ 17 опорный уровень -0,5 MP делителя 15. На время второго и третьего тактов сигналами блока 3 через элемент ИЛИ
20 (фиг.2ж) замыкается цепь коррекции— ключ 19 и конденсатор 18. Полоса пропускания усилителя-ограничителя уменьшается. что позволяет формировать незашумленные уровни н-0,5 MP. Так как из-за инерционности усилителя-ограничителя во втором и третьем тактах время установления усиленных уровней ч-0,5 MP может превышать
То, то для исключения наблюдения переходных процессов "медленного" усилителя-ограничителя на время переходных процессов развертка осциллографа блокируется. Для этого в начале тактов Т2 и Тз формирователи 22, 23 формируют импульсы длительностью Т>, которые через элемент
ИЛИ 21 управляют элементом ЗАПРЕТ 24 (фиг,2з). Длительность импульсов 1> выбирается исходя из постоянной времени усилителя-ограничителя при подключеHMoм фильтре. В тактах Т2 и Тз за исключением интервала Т> запуск осуществляется с периодом То, (фиг,2и), что позволяет наблюдать одновременно переходный процесс и поро1778910 говые уровни. Для того, чтобы яркости изображений наблюдаемых сигналов не сильно различались, длительность запрета запуска
Т должна составлять не более 10-20% от длительности тактов, обеспечивая пример- 5 ное равенство числа запусков развертки за один цикл (3m To) для всех трех сигналов, Для оценки положительного эффекта будем считать для простоты, что переходный процесс ЦАП вЂ” экспоненциальный, из- IO мерительный канал имеет однополюсную передаточную характеристику. При контроле, например, 14-ти разрядных ЦАП с вре- менем установления 10 мкс ширина зоны установления 15 учитывая, что цап !и цап цап
„, Ь гцатт Т цап
IAE туст а относительная тОчнОсть установления 20
Е= б2 =3 10
Время установления экспоненциально. го переходного процесса tycho .=гцдп ln М, откуда эквивалентная постоянная времени ЦАП 25 дт
Для простоты, чтобы избежать интегрирования по частоте, будем считать, что шум усилителя имеет равномерную спектральную характеристику — "белый" шум. В этом случае "шумящий" усилитель можно заменить "нешумящим" с эквивалентньгм шумовым сопротивлением Rta на входе. Пусть Кает =50 кОм. Тогда спектральная плотность шу45 ма: и ц1.IP..k, fkTg <дтto /kÚ ю "" 9ъ л -„О,ОЙВ4мк9/4 п ZS,.т нв/Щ. Y (круст + A t) = " + Эффективное значение напряжения шу5 ма при полосе усилителя туст + A< кацап р сп +- — — — е ту тцап откуда 05ЧР = /и = /21э= 312,5мкВ Uon 1 1024 ° н ГцАП = yc ln yE— т ст IA 2N+ 10мкс = — ч-„1) à — — 0,96 мкС С учетом инерционности усилителя измерительного канала с постоянной времени гу "искаженный" переходный процесс (нормированный) \ т т у(+) =1+ — — — е l — — "— е1у Гу гцап Ту кацап Последним слагаемым пренебрегаем, так как при т < 0,3 тцдп оно пренебрежимо мало по сравнению со вторым. Для оценки временной погрешности, вносимой ту, учтем, что переходный процесс заканчивается, когда сигнал достигнет УРовнЯ Oyer 0.5 МР или 1- EДлЯ ноРмиРованного процесса y(t). Таким образом; абсолютную погрешность At найдем из условия кацап Х круст At = цап In E + Гцап In тцап туст = цап IA1E = кацап п E Относительная погрешность Отсюда требуемое значение При заданной погрешности ту=0,96f1-(3 10 ) )мкс = =0,96 (1-0,9) мкс = 0.1 мкс, Верхняя граничная частота усилителя с — — — g gfgl 1 1 2 я ty 2 7г р 1, 10-6 с Af =тв — fH =гь — 0 = ь Гф7 Я = ф.Г) Д - "23,4НВ Ут,б 1О =36нтКЯ 1778910 Учитывая, что при нормальном распределении 99ь амплитуд шумового напряжения укладываются в границах+3 1 (правило трех сигм), получим ширину "шумовой дорожки" на экране осциллографа 6 I
На рис. 3 приведена осциллограмма в масштабе 200 мкВ/см для данного примерного расчета. Оценим возможное сужение полосы пропускания, Так как предел изме- 10 рения времени установления 10 мкс, то Tleриод перекл1ачения ЦАП в интзрвале измерения должен быть не меньше 2tyct = 20 мкс. Пусть период сигнала генератора 1 (рис,1) Т = 20 мкс,а коэффициент деления 15 делителя 2 m -= 100. Тогда длительность тактов mTo == 2 мс. Без значительной потери информации ма>кна допустить запрет развертки в течение 10";, от интервалов Т2 и Тз. Поэтому длительность импульсов Т> форми- 20 рователей 22 и 23 составляет 10 от mTo, т.е. 0,2 мс. Время установления пороговых уров/ ней ч= 0,5 MP Ту > =- Ty1п 14, где д — точность установления. ту уев постоянная времени усилителя при подключенном фильтре, Постоянная времени усилителя с фильтром составляет 30 т у = СВаых > где С вЂ” величина фильтрующего конденсатора; 35 R»lx — выходное сопротивление промежуточного каскада, к которому подключен конденсатор, I Учитывая, что tyc7 должно быть не балыке Тз, получим постоянную времени усили- 40 теля с фильтром: При д= 1")а ту = 0,2 мс/In100 = 43,4 мкс. Полоса пропускания усилителя при вкл1оченнсм фильтре 1 10 ь 1 2т.434 гц — 3,7кгц 55 2 7г у Дальнейшее сужение полосы усилителя нецелесообразно. Из-за возрастания zy неI обходимо увеличивать т,, но это приводит к заметному уменьшению яркости изображения линии + 0,5 MP на экране осциллографа относительно яркости изображения переходного процесса. Эффективное значение шума для усили( геля с полосой 1 I = Зш(1)К =28,4 НВУ3,7 10 = 1,73 мкВ, а "шумовая" полоса на экране 6! = 10 мк8, Таким образом, для приведенного примера влияние шумов при формировании уровней + 0,5 MP уменьшается в 20 раз (фиг.4).. Приведенную оценку следует считать минимальной, так как при отличии переходного процесса от экспоненты (наличие высокочастотных колебаний и выбросов из-за замыкания ключей ЦАП) паласа пропускаНИя уСИЛИтЕЛя ПрИ TOM >КЕ lycT ЦАП даЛжна быть выше, следовательно больше эффективное значение шума ILU, и возможное относительное уменьшение шумов при подключении фильтра. Сравнивая осциллограммы (фиг.3 и 4), видим, что временная неопределенность из-за влияния шума при наличии фильтра Жщ1 < ЛТш1, Конкретный Выигрыш В тОчнОI сги зависит QT формы переходного процесса: чем плавнее переходный процесс, тем существеннее выигрыш в точности, Значительное повышение точности достигается и при колебательном переходном процессе, сВоАсТВ8ННоМ для большинства ин1егpB/lb ных ЦАП. Сужение полосы при формировании "0.5 MP позволяет вообще исключить участок неопределенности Л tan. Численный пример рассмотрен в предположении, что спектральная плотность LLIQ л1ового напряжения усилителя постоянна, В усилителе могут преобладать высокочастотные шумы, из-за влияния местных отрицательных линейных и нелинейнь,х обратных связей, которые необходимы для расширения полосы пропускания и для предотвращения глубокого насыщения при перегрузке, В этом случае влияние шумов еще бслее значительно уменьшается при подключении фильтра. Считая, что шум не коррелирован, и учитывая правила сложения случайных величин, получим. что временная / неопределенность ЬТ, 1 меньше вг2 раз чем Жш1(ри .3,4). Таким образом, минимальной оценкой повышения точности следует считать снижение в 1,4 составляющей погрешности измерителя, Ооусловленнай влиянием шумов усилителя, сумматора и ЦАП, 1778910 Особенно эффективно изобретение при контроле высокоразрядных (12-16) быстродействующих (ty = 10 мкс) LlAil, когда известнь!ми мегодами из-за влияния шумов контролируемого ЦАП и измерительного ка- 5 нала не удается обеспечить широкую полосу пропускания усилителя-ограничителя и необходимую разрешающую способность. Формула изобретения 1Ð Устройство для измерения времени установления выходно<-о сигнала цифроаналоговых преобразователей по авт.св. К 1275766, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности в него введены 15 два (j)ормироваTеля ИMГ!Уfl üсов. эflpMент коррекции, 9bl iIсл нен н ь!!! (а ко!!!!еI lc3 Tоре, третий ключ, два элемента ИЛИ и элемент ЗАПРЕТ в разрыв связи выхода генератора импульсов и входа синхронизации осциллографа, второй вход элемента ЗАПРЕТ соединен с выходом первого элемента ИЛИ. первый и второй входы которого соответственно через первый и второй формирователи обьединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ и подключены соотB8TcTBGHHo к второму и третьему выходам регистра сдвига, при этом выход второго элемента ИЛИ соединен с управляющим входом третьего ключа, выход которого является шиной нулевого потенциала, а информационный вход через конденсатор соединен с дополнительным выходом усилителя-ограничителя. 1778910 1770910 Составитель Ю.Козусев Техред М,Моргентал Корректор Н.Слободяник Редактор . Заказ 4201 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-Ç5, Раушская наб„4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101
