Устройство для автоматического измерения статистических параметров точности преобразователей формы информации

 

Ъ э 7i 74

О П И С А, ß È -Е ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Севетскик

Сет4иалистич вских

Республик (u) 684734

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 040675 (21) 2140354/18-21 с присоединением заявки Но (23) Приоритет— (51)М. Кл.i

Н 03 К 13/02

Государственный комитет

СССР оо аелам нзобретеннк к открытка

Опубликовано 05.09.79 Бюллетень ЙУ 33

Дата опубликования описания 050979 (53) УДК 681 325 (088. 8) (72) Автор иэобретения

Н.Т. Кислйцкий (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ

СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ ФОРМЫ ИНФОРМАЦИИ

15

30

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в вычислительной технике и в цифровых системах связи для контроля аналогоцифровых и цифРоаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП).

Известно устройство для автомати-. ческого измерения статистических параметров систем с аналоговым входным сигналом, содержащее генератор испытательного сигнала, включающий в себя генератор ступенчатого .сигнала, генератор синусондального сигнала и сумматор, аналого- цифровой и цифроаналоговый преобразователи, блок разделения, фильтры нижних частот, и блоки сравнения (1). Генератор испытательного сигнала подключен ко входу системы АЦП-ЦАП, а выход ЦАП через блок разделения и фильтры нижних частот соединен со входами блоков сравнения. Испытательный сигнал в виде ступенчатого сигнала с синусоидальной насадкой преобразуется системой АЦП-ЦАП. Иэ результата преобразования исключается ст„пенчатый сигнал и отфильтровывается сигнал насадки. Сигналы с фильтров нижних частот, представляющие собой статическую и динамическую ошибки, сравниваются в блоках сравнения с фиксированным опорным напряжением.

Это устройство не обеспечивает высокой достоверности оценки погрешности преобразования. Кроме того, невозможна оценка погрешности отдельно взятого преобразователя.

Известно устройство для автоматического измерения статистических характеристик случайных погрешностей аналого-дискретных преобраэова" телей, с помощью которого может быть измерена интегральная функция распределения случайных погрввностей.

Устройство содержит образцовый цифроаналоговый преобразователь с раздельными и счетным входами„ блок цифровой уставки, устройство управления, цифровой элемент сравнения и арифметическое устройство (2). для определения интегральной функции распределения случайных погрешностей исследуемого поибора в заданной точке шкалы в блоке цифровой уставки набирают соответствующий код. По команде Пуск набранный код записывается в ЦАП, 684734

35

55 напряжение с которого поступает на исследуемый прибор.

Моменгы преобразования задаются управляющим блоком. Выходной код исследуемого преобразователя поступает на цифровой элемент сравнения, на другие входы которой поступает код, записанный в ЦАП. На выходе

1 цифрового элемента сравнения импульс образуется лишь в том случае, когда значение кода, записанного в ЦАП, больше значения выходного кода исследуемого прибора. После установленного числа измерений с управляющего блока на счетный вход образцоного ЦАП поступает импульс и в нем записывается новое число, которому соответствует новое значение напряжения на выходе образцового преобразователя, а результат измерений поступает в арифметическое устройство и регистрируется регистратором.

К недостаткам известного решения следует отнести ограниченные функциональные воэможности. Воэможности известного решения ограничены измерением только интегральной функции распределения случайных погрешностей и только аналого-цифровых преобразователей. Как известно, эта характеристика не является исчерпывающей и не позволяет оценить точность работы АЦП.

Кроме того, не учтены особенности исследуемого прибора при работе с реальными, подвергающимися преобразованию, сигналами, и измерения должны проводиться в специально отведенное для этих целей время, что не позволяет контролировать преобразователь в реальных условиях (оперативный контроль).

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для автоматического измерения статистических параметров точности преобразователей формы информации, содержащее подключаемый к исследуемому прибору цифровой элемент сравнения, другие входы которого соединены с образцовым цифроаналоговым преобразователем, а выход цифрового элемента сравнения подключен к арифметическому устройству, введены второй образцовый цифроаналоговый преобразователь, генератор импульсов дискретизации, элемент запрета и два аналоговых элемента сравнения, первые входы которых соединяют с исследуемым прибором, вторые входы связаны с выходами обоих цифроаналоговых преобразователей, а выходы подключены через элемент запрета с цифровым элементом сравнения и арифметическим устройством, к которому подключены выход первого образцового

10 I5

60 цифроаналогового преобразователя, счетные входы цифроаналоговых преобразователей и выход генератора импульсов дискретизации, который соединяют с исследуемым прибором.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

Исследуемый прибор 1 соединяют с одними из входов аналоговых элементов 2 и 3 сравнения, другие входы которых соединены с выходами образцовых цифроаналоговых преобразователей 4 и 5.. Выходы элементов

2 и 3 сравнения соединены с элементом б запрета, выход которого подключен к цифровому элементу 7 сравнения и арифметическому устройству 8.

Одни из входов элемента 7 сравнения соединяют с исследуемым прибором 1, другие входы связаны с соответствующими старшими разрядами одного иэ образцовых преобразователей, например 5, и с арифметическим устройством 8, к которому подключен элемент

7 сравнения. Арифметическое устройство 8 соединено с генератором 9 импульсов дискретизации, подключаемым к исследуемому прибору 1.

Один из выходов арифметического устройства 8 соединен со счетными входами образцовых преобразцовых преобразователей 4 и 5, раздельные входы . которых подключены к шине

10 Сброс .

Перед началом измерений по шине

10 Сброс устанавливается любое желаемое состояние образцовых преобразователей 4 и 5. Число разрядов преобразователей 4 и 5 выбирают одинаковым и превыаающим число разрядов исследуемого прибора 1.

Оно зависит от требуемой точности измерений. В любой точке шкалы напряжение на выходе преобразователя 4 всегда больше выходного напряжения преобразователя 5 на величину одного шага квантования этих преобразователей.

Поскольку предлагаемое устройство позволяет измерять точностные параметры как АЦП, так и ЦАП, рассмотрим процесс измерения точности параметров, например, АЦП. В этом случае исследуемым преобразователем является АЦП.

На вход исследуемого прибора 1 поступает реальный, подвергаемый аналого-цифровому преобразованию, сигнал. Этот же сигнал поступает на первые входы аналоговых элементов 2 и 3 сравнения.

Точку шкалы исследуемого прибора

1, в которой измеряют величину погрешности преобразования, выбирают с помощью образцового преобразователя 5. Для этого в регистры преобразователей 4 и 5 записывают соответствующий этой точке код. Ана684734 6

65 логовый эквивалент этого кода с образцового преобразователя 5 поступает на второй вход аналогового элемента 3 сравнения. Выходное напряжение образцового преобразователя 4 поступает на второй вход анаоного элемента 2 сравнения. Всякий ра з, ко гда 3Н аче ни я входного си гн ала превышают напряжение на втором входе аналогового элемента 3 сравнения, но не превышают напряжения на втором входе аналогового элемента 2 сравнения, т.е. попадают в зону вблизи выбранной точки, ограниченной одним шагом квантования, на выходе элемента 6 запрета образуются импульсы, управляющие цифровым элементом 7 сравнения. Отсчет результатов измерений начинается в любой выбранный момент времени. С этого момента арифметическое устройство 8 отсчитывает общее число выполненных преобразований, количество которых устанавливают исходя иэ требуемой точности результатов измерений и таковым, чтобы за это время проявились статистические особенности преобразуемого сигнала.

При попадании входного сигнала в выбранную зону на выходе элемента б запрета образуется импульс, поступающий на цифровой элемент 7 сравнения и разрешающий сравнение с эталонным кодом, поступающим от соответствующих разрядов образцового преобразователя 5. Арифметическое устройство 8 подсчитывает эти импульсы для определения количества попаданий входного сигнала в выбранную зону.

Если результат преобразования оказывается ошибочным, на выходе цифрового элемента 7 сравнения образуется импульс, поступающий на арифметическое устройство 8, которое подсчитывает число ошибочных преобразований входного сигнала в рассматриваемой точке. Величина погрешности представляет собой разность между номером (кодом) зоны и номером (кодом) анализируемого порога квантования.

После отсчета заданного количества преобразований результаты измерений перезаписываются в регистрирующее или вычислительное устройство, и регистры преобразователей 4 и 5 переводятся в новое состояние.

Новому состоянию соответствуют новые значения напряжений на выходах образцовых преобразователей 4 и 5, которые определяют следующую точку шкалы исследуемого прибора 1, отстоящую от предыдущей на величину шага квантования образцовых преобразова гелей 4 и 5.

После этого процесс измерений повторяется для последующей точки шкалы исследуемого прибора 1. Таким образом, в арифметическом устройстве 8 происходят сбор и предварительная обработка результатов измерений, характеризующих погрешности преобразования в выбранной точке шкалы, до вида, .удобного для регистрации или дальнейшей обработки.

Результаты измерен..й позволяют определить следующие статистические характеристики исследуемого прибора:, 1) Дифференциальную функцию распределени я погрешностей преобразовани я (отклонений порога квантования) для любого уровня квантования. Аргументом здесь является величина погрешности, а функцией — отношение числа ошибочных преобразований к числу появлений сигнала в выбранной зоне. Функция распределения является условной (она измеряется при попадании преобразуемого сигнала в рассматриваемую зону) . По известной дифференциальной функции распределения нетрудно определить интеграль— ную условную Функцию распределения порога квантования.

Определение этой характеристики очень важно для моделирования.

2) Математическое ожидание порога квантования. Знание этой характеристики позволяет определить положение порога квантования при преобразовании реального сигнала, т.е. с учетом всех особенностей условий рабо— ты исследуемого прибора;имеет большое значение при расчете искажений преобразуемых сигналов. Этот параметр н еобходим при построении квантующей харак теристики. Определяется как сумма произведений значений отклонений порогов кодирования и условных вероятностей их появления. Число членов суммы равно ближайшему целому от отношения шагов квантования исследуемого и образцового преобразователей.

3) Дисперсию порога квантования, которая пропорциональна мощности шумов (в данном случае — кодирования)

Определяется как сумма произведений квадрата значений отклонений порогов код лрования и условных BFpoRTностей их появления. Кроме этого возможно определение моментов более высокого порядка.

4) Определение реальной квантующей хаоактеристки при преоб1 азовании реального входн ого си гнала .

Зная величину шага квантования исследуемого и рибора и используя результаты п.2, можно легко решить поставленную задачу.

Кроме того, устройство позволяет измерять интегральную функцию распределения случайных погре :гностей и систематические погрешности.

При измерении интегральной функции распределения случайных погреш68 ностей достаточно выход образцового преобразователя, например 5, подключить непосредственно ко входу исследуемого прибора 1, а элемент б запрета отключить от цифрового элемента 7 сравнения.

Измерения н этом случае происходят как в известном приборе.

Интегральная функция распределения случайных погрешностей, в которой учитываются статистические осо бенности преобразуемого сигнала, измеряется следуюшим образом.

Выход элемента 6 запрета отключается, а выход аналогового элемента 3 сравнения подключается к цифровому элементу 7 сравнения и арифметическому устройству 8. При этом в ариФметическое устройство поступает измерительная информация, когда значения входного сигнала не превышают уровня с выхода образцового цифроаналогоного преобразователя"5.

Систематические погрешности можно измерять несколькими путями.

1) Выход образцового преобразователя 5 подключается непосредственно ко входу исследуемого прибора 1, а элемент б запрета отключается от цифрового элемента 7 сравнения.

Состояния преобразонателя 5 последовательно изменяются импульсами с арифметического устройства 8. Когда знак ошибки отрицательный, что соответствует отклонению порога кодирования в меньшую сторону, в арифметическом устройстве 8 фиксируется то значение, которое в нем было записано в момент начала прихода импульсов с цифрового элемента 7 сравнения. Когда знак ошибки положительный, фиксируется значение, которое в нем записано в момент окончания прихода импульсов с цифрового элемента 7 сравнения.

Такой режим отсчета результатов обусловлен тем, что ошибка преобразователя может составлять несколько шагов квантования образцового преобразователя 5. Поэтому на выходе цифрового элемента 7 сравнения импульсы появляются при каждом измерении до тех пор, пока значения сигналов на ее входах не сравняются °

Поскольку напряжение на входе исследуемого прибора и змеи яется, например, в сторону повьыения и достаточно иметь значение максимальной ошибки кодирования, при отриМатеяьном ее знаке максимальное значение фиксируется в момент появления первого импульса, а при положительном знаке — в момент появления последнего импульса с цифрового элемента 7 сравнения.

2) На исследуемый прибор 1 и аналоговые элементы 2 и 3 сравне4734 8 н и я поступает медлен но измен яющееся напряжение. и измерения происходят как при измерении статистических параметров точности. Различие состоит н том, что измерения происходят лишь при одном попа5 дании сигнала в выбранную зону характеристики исследуемого прибора.

Статистические параметры точности ПАП измеряются аналогично описанному. Входной цифровой сигнал подвергаемый цифроаналоговому преобI разонанию поступает на исследуемый

I прибор 1 (н данном случае ЦАП) и на цифровой элемент 7 сравнения.

Аналоговый выходной сигнал, являющийся результатом преобразования, с поступает на первые входы аналог в о ых элементов 2 и 3 сравнения.

Систематические погрешности определяются как и для АЦП. В этом случае на исследуемый прибор поступает цифровой сигнал, эквивалентный медленно изменяющемуся напряжению.

Интегральная функция распределения случайных погрешностей UPll измеряется следующим образом.

Аналоговый элемент 2 сравнения и элемент 6 запрета отключают, а выход аналогового элемента 3 сравнения подключают непосредственно к арифметическому устройству 8. Цифровой элемент 7 сравнения может быть отключен, так как он не участвует н процессе измерения этого параметра. Выходы преобразователя 5 подключают ко входу исследуемого прибора.

35 Цифровой сигнал с преобразователя

5 поступает на исследуемый прибор 1, сигнал с которого поступает на первый вход аналогового элемента 3 сравнения. На второй вход этого эле40 мента приходит постоянное напряжение с образцового преобразователя 5. На выходе аналогового элемента Э сравнения импульс появляется лишь в том случае, когда напряжение на выходе исследуемого прибора 1 меньше напря45 жения на выходе образцового пр еобразонателя 5. Арифметическое устроЯство 8 отсчитывает установленное число преобразований и число импульсов с аналогового элемента 3 сравнения.

После заданного числа преобразований результаты измерений перезаписываются в регистратор или вычислительное устройство, и преобразояатель 5 переводится в новое состояние, соответствующее большему напряжению на его выходе. Производится новый цикл измерений, результаты

60 крторого вновь фиксируются в арифметическом устройстве 8. Количество циклов и количество преобразований в каждом цикле выбирают исходя из требуемой точности измерения интегральной функции распределения случайных погрешностей исследуемого

Формула изобретения

Составитель Д. Голубович

Редактор Б.Федотов Техред З.Фанта Корректор Е.Папп

Заказ 5305/53 Тираж 1060 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул. Проектная, 4

9 6847 прибора, которая строится по точкам, получаемым в каждом цикле измерений.

Аргументом этой фун кции являются значения величины отклонениЯ уровней декодирования, а собственно функцией — условная вероятность появления этих значений. Производя 5 измерения во всэм диапазоне шкалы исследуемого прибора по результатам измерений строят интегральную функцию распределения случайных

1 огрешностей исследуемого цифро- 10 налогового преобра зоват ел я.

Использование статистического метода приводит к некоторому увеличению времени измерений. Однако при контроле быстродействующих преобразователей, для которых большое значение имеют измерения при реальном взводном сигнале, это время не превысит нескольких минут, поскольку они выполняют десятки миллионов преобразований в секунду. Количество преобразований сигнала в цикле измерений выбирают либо на основе неравенства Чебышева, либо на основе центральной предельной теоремы, либо на основе неравенства Бернштейна.

Устройство для автоматического 30 измерения статистических параметров

34 10 точности преобразователей Формы информации, содержащее подключаемый к исследуемому прибору цифровой элемент сравнения, другие входы которого соединены с образцовым цифроаналоговым преобразователем, а выход подключен к арифметическому устройству, о т л и ч а ю щ.-и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй образцовый цифроаналоговый преобразователь, генератор импульсов дискретизации, элемент запрета и два аналоговых элемента сравнения, первые входы которых соединяют с исследуемым прибором,. вторые входы связаны с выходами цифроаналоговых преобразователей, à выходы подключены через элемент запрета с цифровым элементом сравнения и арифметическим устройством, к которому подключены выход первого образцового циФроаналогового преобразователя, счетные входы цифроаналоговых преобразователей и выход генератора импульсов дискретизации, который соединяют с исследуемым прибором.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании 91324928, кл. Н 03 К 13/32, 19.02.1972.

2. Авторское свидетельство СССР

9319065, кл. Н 03 К 13/02, 08.06.1970 (прототип).