Устройство для автоматического измерения динамических характеристик быстродействующих аналого-цифровых преобразователей
(72) Авторы изобретения
Е.А. Ломтев, Ю.П. Прозоров и В.М. Шляндин
Пензенский политехнический институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ
ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Изобретение относится к вычислительной и электроизмерительной технике и может быть использовано для поверки АЦП в режиме изменяющегося входного сигнала.
Известно устройство для автоматического измерения характеристик аналого-цифровых преобразователей, содержащее последовательно соединенные основной блок цифровой уставки и первый преобразователь код-напряжение, два элемента сравнения, второй преобразователь код-напряжение, блок обработки кодов, первый вход которого подключается к выходу контролируемого аналого-цифрового преобразователя, а
15 первый выход соединен со входом индикатора, генератор линейно нарастающего напряжения, два ключа, два триггера, пять элементов И, сумматор и дополнительный блок цифровой уставки, причем выход генератора линейно нарастающего напряжения соединен с первыми входами обоих элементов сравнения и с первым входом первого ключа, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход соединен с выходом второго ключа и со входом конт= ролируемого аналого-цифрового преобразователя, выход первого преобразователя код-напряжение соединен со вторым входом первого элемента сравнения, первым входом сумматора и первым входом второго ключа, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, второй вход сумматора через вто-. рой преобразователь код-напряжение соединен с первым входом третьего элемента И и через последовательно соединенный со вторым преобразователем код-напряжения дополнительный блок цифровой уставки — с выходом четвертого элемента И, а выход сумматора подключен ко второму входу второго элемента Чравнения, выходы обоих элементов сравнения подключены к соответствующим входам первого триггера, выход которого соединен с первыми вхо892
705 4 дами первого и второго элементов И, причем второй вход первого элемента И соединен со вторым входом третьего элемента И и первым выходом второго
t триггера, второй вход второго элемента И соединен со вторыми входами четвертого и пятого элементов И и вторым выходом второго триггера, вход которого соединен со вторым выходом блока обработки кодов, третий выход щ которого подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого соединен со входом дополнительного блока цифровой уставки, второй вход блока обработки кодов соединен с выходом третьего элемента И, а третий — с выходом пятого элемента И, первый вход которого соединен с выходом основного блока цифровой уставки (1 .
Однако с помощью известного устройства невозможно определить динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей при произвольно изменяющемся входном сигнале, так как в у этом случае нельзя вычислить приращение сигнала за известный промежуток времени — время цикла преобразования.
Цель изобретения — расширение функциональных возможностей. ЗО
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматического измерения динамических характеристик быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, содержащее блок циф- ровой уставки, преобразователь коднапряжение, два элемента сравнения, блок обработки кодов, блок регистрации, причем выход блока цифровой ус40 тавки подключен ко входу преобразователя код-напряжение и к первому входу блока обработки кодов, второй вход которого соединен с первым выходом контролируемого аналого-цифрового преобразователя, первый выход блока обработки кодов соединен с первым . входом блока регистрации, первые входы элементов сравнения соединены между собой, введены блок выбора режимов работы, блок задания зоны и элемент совпадения, формирователь, причем выход преобразователя код-напряжение соединен со входом блока задания зоны, выходы которого соединены со вторыми входами элементов сравнения, выходы которых подключены к первому и второму входам элемента совпадения, а. третьи выходы через формирователь подключены ко второму выходу контролируемого аналого цифрового преобра эователя, третий выход которого соединен с третьим входом элемента совпадения, четвертый вход которого через блок выбора режимов работы соединен с первыми входами элементов сравнения, а выход соединен с третьим входом блока обработки кодов, второй выход которого соединен с первым входом блока цифровой уставки, четвертый вход подключен ко второму выходу последнего и к шине "Пуск", при этом вход контролируемого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами элементов сравнения и с шиной входного сигнала, а второй вход блока регистрации подключен к третьему выходу блока обработки кода.
Кроме того, блок обработки кодов содержит два формирователя, три трйггера, два счетчика, узел занесения кода, генератор, элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, узел сравнения кодов, два элемента И, регистр, причем первый вход блока подключен к первому входу узла занесения кода, второй вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, а выход через реверсивный счетчик подключен к первому входу узла сравнения кодов, второй вход которого подключен к выходу регистра, а выход — с первыми входами первого формирователя и первого элемента И, второй вход которого подключен к генератору, третий вход — к первому входу второго элемента И и к выходу первого триггера, при этом его первый выход подключен к первому входу счетчика, а второй выход подключен к счетному входу реверсивного счетчика, суммирующий вход которого подключен к прямому"выходу второго триггера и ко второму выходу блока, а вход вычитания соединен с инверсным входом второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго элемента И, а нулевой вход — с нулевыми входами первого и третьего триггеров, с первым входом регистра и выходом первого формирователя, второй вход которого соединен с четвертым входом бло" ка и с первым входом второго счетчика, второй вход которого соединен с третьим входом блока и с единичным входом третьего триггера, его же выход соединен со вторым выходом блока и вторым входом первого счетчика, пер892705 вйй выход которого соединен с первым выходом блока, а второй выход соединен со вторым входом второго элемента И и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с еди- у ничным входом первого триггера, вторым входом регистра и через второй формирователь — с выходом третьего триггера, при этом третий вход регистра соединен со вторым входом блока, а 1Ф выход — ко второму входу узла сравнения кодов.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для автоматического измерения динамических характе- 1% ристик быстродействующих аналого-цифровых преобразователей; на фиг. 2— временная диаграмма.
Устройство содержит преобразователь код-напряжение (ПКН) 1, блок 2 29 задания зоны, контролируемый анало)го-цифровой преобразователь (AIlII) 3,. элемент 4 совпадения, элементы 5 и 6 сравнения, блок 7 обработки кодов, блок 8 регистрации, блок 9 цифровой 25 уставки, формирователь 10, блок ll выO бора режимов работы, блок обработки кодов состоит из формирователей 12 и
13,триггеров 14, 15, 16, узла занесения кода 17, реверсивного счетчика 18„ щ узла сравнения кодов 19, элементов И 20 и 21,регистра 22, элемента И 23, генератора 24, счетчиков 25 и 26.
На выходе цифро-аналогового преобразователя 1 формируется напряжение
Uy, которое через блок 2 задания эоны поступает на входы элементов 5 и 6 сравнения, При этом на входе элемента 5 действует напряжение Uо +40, а на входе элемента 6 - Uo "11,0. Значение b,lJ соизмеримо со статической погрешностью контролируемого АЦП, т.е. очень мало. На вторые входы элементов 5 и 6 сравнения и на вход контролируемого АЦП подается входной сигнал либо детерминированный, либо случайный. Необходимо, чтобы этот сиг.нал многократно проходил через задан-! ную зону для того, чтобы получить требуемое число отсчетов. Это накладывает определенные ограничения на случайный входной сигнап, в частности нижняя граница спектра этого сигнала должна быть достаточно высокой.
Для повышения точности в устройстве использованы элементы сравнения с запоминанием и третий выход контролируемого АЦП через формирователь 10 соединен с третьими входами элементов сравнения. Формирователь введен для того, чтобы точно совместить момент отсчета АЦП с моментом опроса элементов сравнения. В этом случае с третьего выхода АЦП фактически берется импульс, который появляется несколько раньше момента отсчета, например импульс запуска АЦП.
Устройство работает следующим образом.
По команде "Пуск" в блоке 9 цифровой уставки устанавливается код, соответствующий начальной точке диапазона входного сигнала, в которой будут производиться измерения. На выходе преобразователя 1 появляется напряжение Цэ. Элементы 5 и 6 сравнения и элеиейт 4 совпадения образуют
f% систему контроля входного сигнала.
АЦП производит многократные измерения, Если в момент выдачи кода (при появлении импульса "Выход данных") контролируемого АЦП входной сигнал попадает в зону 2b,IJ, то на выходе элемента 4 совпадения появляется единица. По этому сигналу выходной код переписывается в регистр 15 блока 7 .обработки кодов. Предварительно за,писанный в блок 7 кодЦ0 вычитается. в этом блоке из выходного кода контролируемого АЦП. Разность кодов представляет собой погрешность АЦП в динамическом режиме. Если на входе контролируемого АЦП действует детерминированный сигнал, например линейно-изменяющееся напряжение, то в этом случае производятся многократные измерения и результаты их усредняются.
В результате этого получают среднее значение погрешности контролируемого
АЦП в динамическом режиме при заданной скорости изменения входного сигнала в заданной точке шкалы. Это значение фиксируется и блоке 8 регистрации, после чего устройство переходит к следующему значению Цо и повторяет измерения и т..д.
Если на входе контролируемого АЦП действует случайный входной сигнал, то блок обработки кодов, кроме функции вычитания кодов и усреднения, будет выполнять более сложные операции, например выбор максимальной погрешнос ти или получение функции распределения погрешности и т.д. Очевидно, что предлагаемое устройство работает при случайном входном сигнале, так как безразлично, сверху или снизу войдет
892705 входной сигнал в зону 2 5Q, лишь ! бы этот момент совпал с моментом появления импульса "Выход данных".
Рассмотрим работу устройства по ! временной диаграмме (фиг. 2). Входной сигнал, в общем случае случайный, поступая на входы элементов срав" нения, многократно проходит через зону 2 QU. Значение этой зоны может быть соизмеримо с порогом чувствитель- ly ности элементов сравнения, т.е. очень мальм. Допустим, контролируется АЦП с аналоговым запоминанием на входе.
Импульсы моментов отсчета, совпадающие с моментами перехода аналогового запоминающего блока в режим хранения, производят опрос элементов сравнения, которые запоминают свое состояние н эти моменты, Совпадение может быть очень точным, так как апертурные времена элементов сравнения и аналогового запоминающего блока соизмеримы и могут составлять доли наносекунды.
Устройство работает в таком режиме до тех пор, пока момент опроса компараторов не совпадет с моментом прохождения, входного сигнала через зоf ну 2 В этот момент на выходах элементов сравнения появляются логические единицы, которые, поступая через элемент 4 совладения в блок обработки кодов разрешают запись кода с выхода контролируемого АЦП н регистр в моВ И мент времени, так как данный код 35 соответствует значению входного сигнала в момент ъ . Таким образом, предлагаемое устройство из всех моментов отсчета выбирает лишь некоторые, что уменьшает быстродействие схемы. ОднаЮ ко этот недостаток не играет первостепенной роли, а так как предлагаемое устройство предназначено для определения динамических характеристик быстродействующих АЦП, то моменты ф будут появляться достаточно часто. Рассмотрим подробнее работу блока 7 цифровой обработки. Измерение начинается по сигналу Н t1 Пуск, которым производится сброс триггеров 16, 15, 14 и счетчиков 26, 25. Сигналом с выхода триггера 14 за прещается прохождение импульсов с генератора 24 через элемент 20 совпадения. В момент времени - на выходе И элемента 4 совпадения появляется единица, которая переводит триггер 16 н единичное состояние н записывается 8 н счетчик 26. Этот перепад поступает на формирователь 13, на выходе которого образуется короткий импульс. При этом код с выхода контролируемого АЦП переписывается в регистр 22, триггер 14 переводится в единичное состояние, разрешающее прохождение импульсов от генератора 24 на счетный вход реверсивного счетчика 18 и на счетный вход счетчика 25. Одновременно импульсом с выхода формирователя !3 через элемент ИЛИ 23 установленный код с помощью узла занесения кода 17 записывается в реверсинный счетчик 18, который сразу начинает работать на вычитание. Код реверсивного счетчика сравнивается с кодом регистра 22 с помощью узла 19 сравнения кодов. Допустим, код регистра 22 больше. Счет производится до момента переполнения группы разрядов счетчика 25 погрешности. В момент переполнения импульс с выхода этого счетчика через элемент ИЛИ 16 вновь записывает первоначальный код в ренерсинный счетчик. Этот импульс, проходя через элемент 21 совпадения, перенодит триггер 15 в единичное состояние, чем обеспечивается режим сложения реверсивного счетчика 18. Вновь начинается счет. В момент равенства кодов нулевым сигналом с выхода узла сравнения кодов 19 запрещается прохождение импульсов от генератора через элемент 20 совпадения. Этим сигналом через формирователь 12 производится сброс триггеров 14, 15 и 16, т.е. все основные узлы вновь переводятся в состояние ожидания импульса с выхода элемента совпадения устройства 4. При поступлении второго импульса с выхода элемента 4 совпадения нсе про-, исходит аналогичным образом, причем в счетчике 25 результаты измерения суммируются. Емкость счетчика 26 выби-. рается в соответствии с числом измерений, которые необходимо произвести при заданном значении U0 . При пере1 полнении этого счетчика блок 9 цифровой уставки устанавливает код, соответствующий новому значению U . Одновременно с выхода счетчика 25 на блок 8 регистрации выдается среднее значение погрешности контролируемого АЦП в динамическом режиме в данной точке шкалы. После этого производится новый цикл измерений при новом Uð. Очевидно, что при такой реализации 892705 блока обработки кодов на входе контролируемого АЦП должен действовать детерминированный сигнал, имеющий примерно одну и ту же скорость изменения в момент t . При случайном харак-! тере входного сигнала блок 7 обработки кодов должен быть построен по-другому, хотя основные его узлы останутся такими же. Например, в блоке 7 могут присутствовать узлы для выбора iy максимума погрешности и т.д. При определении динамических характеристик АЦП во многих случаях, особенно прн случайном входном сигнале, необходимо определять характеристики порознь при положительных, отрицательных и случайных по знаку скоростях изменения входного сигнала. Для обеспечения этой возможности в предлагаемое устройство дополнитель- но введен блок ll выбора режимов работы, содержащий последовательно соединенные дифференцирующул цепь и нуль1 орган. Если в момент t скорость изменения входного сигнала имеет нужный р5 знак, то единица с выхода блока 11 разрешает работу устройства. Таким образом, изобретение позволяет определить динамические характеристики АЦП непосредственно в услови- 5п ях эксплуатации или же в режиме, наиболее близком к этим условиям. Кроме того, за счет четкой синхронизации моментов отсчета с моментами опроса элементов сравнения, повышается точность измерения, Использование элементов сравнения с запоминанием позволяет практически исключить влияние изменения времени задержки элементов сравнения на точность измерения. В известном устройстве такой режим работы синхронный при сохранении точности обеспечить невозможно. Использование блока выбора режимов работы позволяет расширитЬ функциональные возможности предлагаемого устройства. 2. Устройство по и. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок обработки кодов содержит два формирователя, три триггера, два счетчика, узел занесения кода, генератор, элемент ИЛИ, реверсивный счетчик, узел сравнения кодов, два элемента И, регистр, причем первый вход блока подключен к первому входу узла занесения кода, второй вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, а выход через реверсивный счетчик подключен к первому входу узла сравнения кодов, второй вход которого подключен к выходу регистра, а выход — с первыми входами первого фор" мирователя и первого элемента И, вто. рой вход которого подключен к генератору, третий вход — к первому вхо-! ду второго элемента И и к выходу перформула изобретения 1. Устройство для автоматического измерения динамических характеристик быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, содержащее блок цифровой уставки, преобразователь коднапряжение, два элемента сравнения, блок обработки кодов, блок регистрации, причем выход блока цифровой устанки подключен ко входу преобразователя код-напряжение и к первому входу блока обработки кодов, второй вход которого соединен с первым выходом контролируемого аналого-цифрового преобразователя, первый выход блока обработки кодов соединен с первым входом блока регистрации, первые входы элементов сравнения соединены между со,бой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональ ных возможностей, введены блок выбора t режимов работы, блок задания эоны и элемент совпадения, формирователь, причем выход преобразователя код-напряжение соединен со входом блока задания зоны, выходы которого соединены со вторыми входами элементов сравнения, выходы которых подключены к первому и второму входам элемента совпадения, а третьи выходы через формирователь подключены ко второму выходу контролируемого аналого-цифрового преобразователя, третий выход которого соединен с третьим входом элемента совпадения, четвертый вход которого через блок выбора режимов работы соединен с первыми входами элементов сравнения, а выход соединен с третьим входом блока обработки кодов, второй выход которого соединен с первым входом блока цифровой уставки, четвертый вход подключен ко второму выходу последнего и к шине "Пуск", при этом вход контролируемого аналого-цифрового преобразователя соединен с первыми входами элементов сравнения и с шиной входного сигнала, а второй вход блока регистрации подключен к третьему выходу блока обработки кода. 8927 вого триггера, при этом его первый выход подключен к первому входу счетчика, а второй выход подключен к счетному входу реверсивного счетчика, суммирующий вход которого подключен к прямому выходу второго триггера и ко второму выходу блока, а вход вычитания соединен с инверсным входом второго триггера, единичный вход которого соединен с выходом второго элемен- щ та И, а нулевой вход — с нулевыми входами первого и третьего триггеров, с первым входом регистра и выходом первого формирователя, второй вход которого соединен с четвертым входом " I блока и с первым входом второго счетчика, второй вход которого соединен с третьим входом блока и с единичным входом третьего триггера, его же вы05 12 ход соединен со вторым выходом блока и вторым входом первого счетчика, первый выход которого соединен с первым выходом блока, а второй выход соединен со вторым входом второго элемента И и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с единичным входом первого триггера, вторым входом регистра и через второй формирователь - с выходом третьего триггера, при этом третий вход регистра соединен со вторым входом блока, а выход — ко второму входу узла сравнения кодов ° Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Авторское свидетельство СССР У 60б204, кл. Н 03 К 13/17, 19.04.74. 892705 Составитель Л. Беляева Техреп А. Бабинец, редактор Г. Волкова Подписное Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 П IT Заказ 11283/85 Тираж 991 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035> Москва Ж-35 Раушская наб.> д. 4/5
