СПОСОБ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для автоматического контроля, поверки, исследования, метрологической оценки статических характеристик аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и получения информации об численных значениях статических погрешностях с представлением результатов в цифровой форме.

Известно устройство [1] для измерения и контроля параметров АЦП с использованием образцового АЦП, которое позволяет производить контроль уровней напряжений логических "0" и "1" выходного кода проверяемого АЦП только в отдельных точках диапазона изменения входного сигнала. Кроме того, в случае измерения параметров прецизионных АЦП рассматриваемое устройство потребовало бы значительных аппаратных затрат, так как максимальное количество компараторов, входящих в состав указанного устройства, определяется количеством разрядов выходного кода испытываемого АЦП.

Известно устройство [2] для автоматического измерения характеристики преобразования быстродействующих АЦП, которое формирует с помощью аналогового интегратора измерительный сигнал с размахом в пределах одного кванта шкалы испытуемого АЦП. В связи с этим определяется напряжение, соответствующее среднему значению каждого кванта испытуемого АЦП. Однако при автоматическом измерении статических характеристик преобразования прецизионных АЦП описанное выше условие задания измерительного сигнала невыполнимо, так как уже для 16-разрядного АЦП требования к точности задания параметров опорных сигналов становятся трудно выполнимыми.

Известно устройство [3] для автоматического измерения характеристики преобразования быстродействующих АЦП. Несмотря на то, что [3] является усовершенствованием известного устройства по авт. св. [2] за счет обеспечения одновременного автоматического измерения уровня случайных шумов АЦП в каждой измеряемой точке характеристики преобразования, его принцип работы также основан на прецизионных средствах измерений, что затрудняет использование данного устройства при испытаниях прецизионных АЦП.

Известно устройство [4] измерения характеристики преобразования высокоточных и быстродействующих АЦП. Указанное устройство также является усовершенствованием устройства по авт. св. [2] и имеет более высокую точность, которая определяется относительной погрешностью измерителя периодического временного интервала и цифрового интегрирующего вольтметра и составляет тысячные доли процента. Однако при измерении характеристики преобразования прецизионных АЦП описанное выше условие обеспечения требуемой точности невыполнимо, так как данное устройство сохраняет принцип работы, как и в вышеперечисленных устройствах, и не может быть использовано для измерения статических характеристик преобразования прецизионных АЦП.

Известно устройство [5] измерения характеристик АЦП с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), которое позволяет определять реальную величину кванта, дифференциальную нелинейность и смещения уровней квантования. Это достигается за счет возможности независимого и одновременного определения смещений двух соседних реальных уровней квантования относительно номинального значения контролируемого кванта, путем формирования ЦАП сканирующего вспомогательного напряжения, размах которого перекрывает размах суммарной погрешности испытываемого АЦП. Однако использование указанного устройства для измерения характеристик прецизионных АЦП невозможно, так как принцип работы также основан на прецизионных средствах измерений.

Наиболее близким к заявляемому является способ, реализованный в устройстве контроля АЦП [6] с использованием генератора измерительного сигнала, которое позволяет проводить оценку значений характеристик по среднему значению реальных пороговых уровней преобразования. Однако устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как оно позволяет определить лишь интегральную и дифференциальную статическую характеристику АЦП. Кроме того, принцип работы устройства основан на прецизионных средствах измерений, где требования к точности задания параметров опорных сигналов для 24 разрядных АЦП на сегодняшний день реально не выполнимы.

Техническим результатом изобретения является возможность метрологического испытания и аттестации статических характеристик прецизионных АЦП путем перехода от прецизионных средств измерений к прецизионным методикам, при которых требования к образцовым средствам могут быть существенно снижены.

Под прецизионной методикой будем понимать совокупность действий над инструментальными средствами, направленных на преодоление метрологических ограничений средств испытаний и измерений.

Технический результат, реализуемый в способе метрологического испытания и аттестации статических характеристик АЦП, достигается тем, что измерительный сигнал (напряжение треугольной формы) ослабляют с коэффициентом ослабления L, определяемым как

где h_Г - номинальное значение шага квантования источника измерительного сигнала, h_АЦП - ожидаемое значение шага квантования испытываемого АЦП, k_ТР - требуемое превышение точности способа над точностью испытываемого АЦП, ослабленный измерительный сигнал суммируют с сигналом перемещения таким образом, чтобы верхняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превышала нижнюю код-границу NN испытываемого АЦП, затем суммированный измерительный сигнал смещают сигналом перемещения по всему динамическому диапазону испытываемого АЦП с шагом, номинальное значение которого близко к шагу квантования испытываемого АЦП, накапливая на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого АЦП в области размаха измерительного сигнала, исключая коды на границах измерительного сигнала, накопление числа кодов производят до тех пор, пока нижняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превысит верхнюю код-границу NB испытываемого АЦП, далее суммируют число кодов, соответствующих каждому интервалу квантования испытываемого АЦП в общей гистограмме, и вычисляют значения каждого интервала квантования испытываемого АЦП следующим образом,

где М - общее число отсчетов испытываемого АЦП в общей гистограмме, за исключением отсчетов с границ измерительного сигнала; n_j - число кодов, соответствующих j-му интервалу квантования испытываемого АЦП, находят среднее значение кванта (h_СР) испытываемого АЦП как

и определяют дифференциальную и интегральную нелинейность, аддитивную и мультипликативную погрешность испытываемого АЦП.

Для осуществления данного способа предлагаем устройство, содержащее генератор измерительного сигнала, в которое введены управляемый аттенюатор, источник сигнала перемещения измерительного сигнала, схема перемещения измерительного сигнала, микроконтроллер и ЭВМ, причем вход аттенюатора соединен с выходом генератора измерительного сигнала, а выход - с первым входом схемы перемещения измерительного сигнала, управляющие входы аттенюатора и генератора измерительного сигнала соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера, второй вход схемы перемещения измерительного сигнала соединен с выходом источника сигнала перемещения измерительного сигнала, вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера, а выход схемы перемещения измерительного сигнала соединен с входом испытываемого АЦП, выход которого соединен с входом микроконтроллера, четвертый выход которого связан через интерфейс с ЭВМ.

Суть способа метрологического испытания и аттестации статических характеристик АЦП заключается в следующем. Измерительный сигнал (ИС) периодического характера, треугольной формы ослабляют для уменьшения шума квантования и смещают сигналом перемещения по всему динамическому диапазону испытываемого АЦП (фиг.1) с шагом, номинальное значение которого близко к шагу или интервалу квантования испытываемого АЦП, накапливая на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого АЦП в области размаха измерительного сигнала, исключая коды на границах измерительного сигнала и затем суммируя число кодов, соответствующих каждому интервалу квантования испытываемого АЦП в общей гистограмме.

Для снятия локальной гистограммы выполняется следующая последовательность действий.

1. Выделяются границы испытываемого АЦП: NN - нижний код-граница испытываемого АЦП, соответствующий нижнему напряжению U_Н испытываемого АЦП; NB - верхний код-граница испытываемого АЦП, соответствующий верхнему напряжению U_B испытываемого АЦП. Функцию преобразования АЦП в диапазоне NN-NB, как известно, можно представить фиксацией всех уровней квантования в этом диапазоне и измерением шага квантования между ними.

2. ИС (напряжение треугольной формы) вначале ослабляют для уменьшения шума квантования с коэффициентом ослабления L, определяемым как

где h_Г - номинальное значение шага квантования источника измерительного сигнала, h_АЦП - ожидаемое значение шага квантования испытываемого АЦП, k_ТР - требуемое превышение точности способа над точностью испытываемого АЦП, и суммируют с сигналом перемещения таким образом, чтобы верхняя граница номинального размаха ИС не превышала нижнюю код-границу NN испытываемого АЦП.

3. Проводят испытания по гистограммному методу, фиксируя и накапливая коды только для NN<N<NN (в этом случае фиктивные). Затем перемещают ИС на номинальное значение h_Н, близкое к шагу квантования испытываемого АЦП:

где N - разрядность испытываемого АЦП, U_B - верхнее напряжение испытываемого АЦП.

Проводят испытания по гистограммному методу, накапливая коды для NN<N<NN+1. Снова смещают ИС на h_Н и накапливают коды для NN<N<NN+2, суммируя их с накопленными кодами в предыдущих испытаниях.

4. Продолжают перемещение с шагом h_Н, испытания и накопление кодов до тех пор, пока диапазон разрешенных кодов станет равным NN<N<NN+p, где p - постоянное число испытываемых квантов на каждом уровне смещения ИС. С этого момента ИС снова смещают на h_Н и накапливают коды в диапазоне NN+1<N<NN+1+p, потом NN+2<N<NN+2+p, NN+j<N<NN+j+p и т.д. до тех пор, пока нижняя граница номинального размаха ИС не превысит верхнюю код-границу NB испытываемого АЦП. На этом испытания заканчиваются.

Покажем, что нелинейность ИС для рассматриваемого способа практически не влияет на точность измерения функции преобразования. Функцию преобразования испытываемого АЦП в диапазоне NN<N<NB представим интервалами квантования h_j, а ИС примем монотонно изменяющимся. Тогда время пребывания в j-м интервале квантования для i-го треугольного ИС (т.е. сигнала с i-м смещением) равно

где - время пребывания на возрастающем, а - время пребывания на убывающем участке ИС за один период; m - число периодов ИС при i-м испытании; - производная на возрастающем, a - производная на убывающем участке ИС в i-м испытании, совмещенная с интервалом квантования h_j.

Для i+1-го смещения

Амплитуда ИС равна

где k - квант испытываемого АЦП, совпавший с нижней границей ИС; ν - число квантов, перекрываемых ИС.

Необходимо число испытываемых квантов на каждом уровне смещения ИС сделать постоянным, поэтому представим ν как

где p - постоянное число испытываемых квантов на каждом уровне смещения ИС, е - число квантов испытываемого АЦП на границах ИС, коды которых отбрасываются на каждом уровне смещения ИС, причем е/2 снизу и сверху А_ИС.

С учетом этого номинальный размах ИС, принимаемый в расчет, равен

Число смещений ИС (N_ИС), обеспечивающее участие ИС в испытании j-го интервала квантования

где h_СМ - шаг смещения ИС, близкий к шагу квантования испытываемого АЦП (h_СМ≈h_Н).

Полное время пребывания в j-ом интервале квантования для всех смещений ИС равно

С другой стороны, если ИС представить функцией Q(t), то обратная производная этой функции 1/Q'(t), какой бы она ни была, имеет постоянное математическое ожидание во времени

где Т⁽⁺⁾ - время возрастающего, а Т^(-) - время убывающего периода ИС.

Переходя к оценкам математического ожидания на m периодах, получаем

С учетом этого выражение для полного времени пребывания в интервале квантования h_j примет вид

Так как m и N_ИС - величины постоянные, а М^*(1/Q_i ^') - величина, нестабильность которой уменьшается в по сравнению с исходной нестабильностью от нелинейности ИС, то время пребывания в j-ом интервале квантования зависит от величины интервала квантования и практически не зависит от нелинейностей ИС.

Суть идеи заключается в том, что каждый участок ИС со своим наклоном участвует в испытании каждого интервала квантования испытываемого АЦП.

Дополнительным преимуществом способа метрологического испытания и аттестации статических характеристик АЦП является то, что он не теряет своих свойств в условиях шумов и, по существу, определяет значения математических ожиданий каждого интервала квантования, т.е. систематическое значение h_j.

Кроме этого, появляется возможность определять шумовую составляющую σ_j каждого интервала квантования испытываемого АЦП и осуществлять анализ функции преобразования по частям, что особенно важно для многоразрядных АЦП, где общее число квантов может достигать настолько большой величины, что ограничивается ресурсами ЭВМ.

Анализ по частям обеспечивает дополнительную возможность выявления промахов АЦП, если фиксировать и накапливать коды, находящиеся явно за пределами возможных значений по конкретному ИС.

Накопив гистограмму распределения кодов испытываемого АЦП, можно вычислить систематическое значение любого интервала квантования

где М - общее число отсчетов испытываемого АЦП в общей гистограмме, за исключением отсчетов е/2 с границ измерительного сигнала; n_j - число кодов, соответствующих j-му интервалу квантования испытываемого АЦП.

По вычисленным значениям можно:

- найти среднее значение кванта (h_СР), испытываемого АЦП как

- вычислить мгновенные значения дифференциальной (Δ_ДИФ.j) и интегральной нелинейности (Δ_ИНТ.j) каждого кванта, испытываемого АЦП как

где 0≤j≤NB-NN

- построить зависимости h_j, Δ_ДИФ.j, Δ_ИНТ.j, σ_j от текущего кода N_j испытываемого АЦП и по ним определить предельные значения, средние значения, средне-квадратические отклонения дифференциальной и интегральной нелинейности, построить реальную функцию преобразования испытываемого АЦП как

и по ней найти аддитивную и мультипликативную погрешность в сравнении с номинальной функцией преобразования испытываемого АЦП.

Погрешность от нелинейности в данном способе возникает только в том случае, когда имеются совместная нелинейность ИС и интегральная нелинейность его перемещения. Детальный анализ показал, что погрешность в определении интервалов квантования испытываемого АЦП определяется произведением нелинейности ИС на интегральную нелинейность его смещения и имеет второй порядок малости, так, например, при нелинейности ИС 10^-3 и интегральной нелинейности его перемещения 10^-3 погрешность в определении интервалов квантования составит 10^-6.

На фиг.2 представлено устройство метрологического испытания и аттестации статических характеристик АЦП.

Устройство содержит генератор измерительного сигнала 1. При этом в него введены управляемый аттенюатор 2, источник сигнала перемещения измерительного сигнала 3, схема перемещения измерительного сигнала 4, микроконтроллер 5 и ЭВМ 6. При этом вход аттенюатора 2 соединен с выходом генератора измерительного сигнала 1, а выход - с первым входом схемы перемещения измерительного сигнала 4. Управляющие входы аттенюатора 2 и генератора измерительного сигнала 1 соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера 5. Второй вход схемы перемещения измерительного сигнала 4 соединен с выходом источника сигнала перемещения измерительного сигнала 3, вход которого соединен с третьим выходом микроконтроллера 5. Выход схемы перемещения измерительного сигнала 4 соединен с входом испытываемого АЦП 7, выход которого соединен с входом микроконтроллера 5, четвертый выход которого связан через интерфейс с ЭВМ 6.

Устройство работает следующим образом. Измерительный сигнал (напряжение треугольной формы), сформированный с помощью генератора измерительного сигнала 1, пропускают через управляемый аттенюатор 2 для уменьшения шума квантования, с коэффициентом деления L, определяемым как

где h_Г - номинальное значение шага квантования генератора измерительного сигнала, h_АЦП - ожидаемое значение шага квантования испытываемого АЦП, k_ТР - требуемое превышение точности способа над точностью испытываемого АЦП. При этом измерительный сигнал с выхода управляемого аттенюатора 2 вначале формируют так, чтобы верхняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превышала нижнюю код-границу NN испытываемого АЦП 7. Измерительный сигнал начинают перемещать с помощью источника сигнала перемещения измерительного сигнала 3 по всему динамическому диапазону испытываемого АЦП 7, с номинальным значением, близким к шагу квантования испытываемого АЦП, подавая на второй вход схемы перемещения измерительного сигнала 4 соответствующее напряжение с источника сигнала перемещения измерительного сигнала 3. При этом накапливая на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого АЦП 7 в области размаха измерительного сигнала, исключая коды на границах измерительного сигнала. Продолжают испытания и накопление числа кодов до тех пор, пока нижняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превысит верхнюю код-границу NB испытываемого АЦП 7. Для этого фиксируют соответствующие коды с испытываемого АЦП 7 микроконтроллером 5, который в свою очередь передает эти коды на ЭВМ 6.

Возможно в качестве генератора измерительного сигнала 1 и источника сигнала перемещения измерительного сигнала 3 использование ЦАП в качестве управляемого аттенюатора 2 перемножающего ЦАП, а вместо схемы перемещения измерительного сигнала 4 - композицию операционного усилителя (ОУ), пикового детектора с закрытым входом и повторителя напряжения (фиг.3).

Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления позволяют производить метрологическое испытания и аттестацию статических характеристик прецизионных АЦП путем перехода от прецизионных средств измерений к прецизионным методикам, при которых требования к образцовым средствам могут быть существенно снижены.

Литература

1. Патент РФ №1005297, кл. Н03К 13/02, 1983 г.

2. Патент РФ №1058048, кл. Н03К 13/02, 1983 г.

3. Патент РФ №1181136, кл. Н03М 1/10, 1985 г.

4. Патент РФ №1211879, кл. Н03М 1/10, 1986 г.

5. Патент РФ №1282324, кл. Н03М 1/10, 1987 г.

6. Патент РФ №1287285, кл. Н03М 1/10, 1987 г.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной технике. Способ позволяет осуществить метрологическое испытание и аттестацию статических характеристик прецизионных АЦП путем перехода от прецизионных средств измерений к прецизионным методикам, при которых требования к образцовым средствам могут быть существенно снижены. Для этого способ заключается в том, что измерительный сигнал (ИС) периодического характера ослабляют для уменьшения шума квантования и смещают сигналом перемещения по всему динамическому диапазону испытываемого АЦП с шагом, номинальное значение которого близко к шагу квантования испытываемого АЦП, накапливая на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого АЦП в области размаха измерительного сигнала, исключая коды на границах измерительного сигнала и затем суммируя число кодов, соответствующих каждому интервалу квантования испытываемого АЦП в общей гистограмме. При этом устройство содержит генератор измерительного сигнала, также введены управляемый аттенюатор, источник сигнала перемещения измерительного сигнала, схема перемещения измерительного сигнала, микроконтроллер и ЭВМ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения статических характеристик преобразования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), заключающийся в формировании измерительного сигнала, отличающийся тем, что измерительный сигнал (напряжение треугольной формы) ослабляют с коэффициентом ослабления L, определяемым как

где h_Г - номинальное значение шага квантования источника измерительного сигнала, h_АЦП - ожидаемое значение шага квантования испытываемого АЦП, k_ТР - требуемое превышение точности способа над точностью испытываемого АЦП, ослабленный измерительный сигнал суммируют с сигналом перемещения таким образом, чтобы верхняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превышала нижнюю код-границу NN испытываемого АЦП, затем суммированный измерительный сигнал смещают сигналом перемещения, по всему динамическому диапазону испытываемого АЦП, с шагом, номинальное значение которого близко к шагу квантования испытываемого АЦП, накапливая на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого АЦП в области размаха измерительного сигнала, исключая коды на границах измерительного сигнала, накопление числа кодов производят до тех пор, пока нижняя граница номинального размаха измерительного сигнала не превысит верхнюю код-границу NB испытываемого АЦП, далее суммируют число кодов, соответствующих каждому интервалу квантования испытываемого АЦП в общей гистограмме, и вычисляют значения каждого интервала квантования испытываемого АЦП следующим образом:

где М - общее число отсчетов испытываемого АЦП в общей гистограмме, за исключением отсчетов с границ измерительного сигнала; n_j - число кодов, соответствующих j-му интервалу квантования испытываемого АЦП, находят среднее значение кванта (h_СР) испытываемого АЦП как

и определяют дифференциальную и интегральную нелинейность, аддитивную и мультипликативную погрешность испытываемого АЦП.