Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК H03M1/10 

1

сигнала, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к пефвой выходной шине, первый вход блока цифрового сравнения кодов соединен с входной шиной, второй вход - с первым выходом блока задания кодов, выход блока цифрового сравнения кодов Подключен к входу блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала, цифровой интегрирующий вольтметр, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок задания пороговых уровней, блок фиксации порогового уровня,блок компараторов, измеритель временного интервала, синхронизируемый генератор импульсов, причем выход блока формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала соединен непосредственно с вторым входом аналогового сумматора и с первым вхо203699

дом блока компараторов, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами блока задания пороговых уровней непосредственно, четвертый вход через блок фиксации порогового уровня подключен к третьему выходу блока задания пороговых уровней, а первый и второй выходы соединены с соответствующими входами измерителя временного интервала, а третий соединен с первым входом синхронизируемого генератора импульсов, второй, вход которого подключен к второму выходу блока задания кодов, а первый и второй выходы соединены с второй выходной шиной и третьим входом блока цифрового сравнения кодов соответственно, выход блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала соединен с входом цифрового интегрирующего вольтмет - ра.

Изобретение относится к цифро- ой измерительной технике и может ыть использовано для измерения динаических характеристик быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей в сетевых измерительных системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.

Цель изобретения - повышение точности измерений динамической характеристики преобразования аналого- цифровых преобразователей.

На фиг.1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг.2 - функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Диаграммы (фиг.1) показьшают быстро изменяющийся испытательный сигнал 1, медленно изменяющийся испытательный сигнал 7. сигнал 3, равный сумме сигналов 1 и 2, подаваемых на вход испытуемого аналого-цифрового преобразователя; опорный сигнал 4, соответствующий выбранной точке характеристики преобразования; сфор- мированньй сигнал 5 дискриминации

перехода сигнала 1 через заданный пороговый уровень UQ , соответствующий выбранному значению сигнала 1 результирующий сигнал 6 сравнения; сигналы 7 дискриминации, соответствующие переходам, сигнала 1 через измененный относительно Uo пороговый уровень и при определении величины и знака производной сигнала 1 в

точке А, сигналы 8 дискриминации, соответствующие переходам сигнала 1 через изменяемый относительно Uo и зафиксированный пороговый уровень Ц(,ДОПО Лнительно сформированную

вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9; сигналы Ю, полученные синхронизацией сигналов 8 последовательностью сигналов 9; последовательность сигналов 11, иллй)стрирующую действительные моменты дискретизации суммы испытательных сигналов 3J точки А, Б перехода сигнала 1 через пороговый уровень UQ , в которых производная имеет

разную величину и знак; среднее значение В сигнала 2; точку Г сигнала 3, соответствую1цую моменту действия сигнала 5, задержанного на

3

Тацп задержку To,u,n отсчета аналого-цифрового преобразователяJ временной интервал (. между сигналами 5 и 7, время Тпр преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя j период следования Т сигнала 1.

На схеме устройства (фиг.2) показаны блок 12 формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала; блок 13 формирования медленно изме :яющегося испытательного сигнала; аналоговый сумматор 14, испытуемый аналого-цифровой преобразователь (А1Щ-) 15; цифровой блок 16 сравнения кодов; блок 17 задания кодов; цифровой интегрирую11Д1й вольтметр 18; блок 19 задания пороговых уровней, блок 20 фиксации порогового уровня; блок 21 компараторов; измеритель

22временного интервала, синхрони- зируемьш генератор 23 импульсов; первая 24 и вторая 25 выходные шины и входная шина 26.

В качестве блока 12 может быть использован любой генератор периодического сигнала со стабильной частотой повторения и произвольной формы. В качестве блока 13 может быть использован, как и в известном устройстве, аналоговьш интегратор напряжений, управляемый биполярным коммутатором напряжений, управляющий вход которого является входом блока 13. В качестве блока 17 используется блок, аналогичный блоку задания кодов в известном устройстве, содержащий дополнительный триггер (разряд) регистра записи кодов, выход которого является дополнительным вьпсодом блока 17. В качестве блока 21 использованы три (согласно числу уровней UQ ; 11(1 ; UfuHn ) одинаковых компаратора, суммирующие входы которых соединены вместе и являются входом блока 21. Вычитающие входы первого и второго компараторов соединены непосредственно с первым и вторым выходами блока 19, а вычитающий вход третьего компаратора через блок 20 соединен с третьим выходом блока 19. Вычитающие входы компараторов являются соответственно первым, вторым и третьим управляющими входами блока 21, а выходы его является выходами соответствующих компараторов. В качестве синхронизируемого генератора

23импульсов использован генератор с внешним запуском.

036994

Реализация предлагаемого способа производится следующим образом.

Формируют быстро изменяющийся сигнал 1 (фиг.1), необходимыми и до, статочными условиями для которого являются периодичность и долговременная стабильность частоты 1/т Формируют сигнал 2, постоянная времени изменения которого за время его

0 изменения в пределах медцу двумя

рядом выбранными точками характеристики преобразования (кванта), задается равной времени формирования не менее, чем нескольких десятков риодов сигнала 1.

Сумму 3 сигналов 1 и 2 подают . на вход испытуемого А1ЦТ. Одновременно с суммированием сигналов 1 и 2 формируют сигнал 5, который может

2Q Соответствовать любому выбранному значению сигнала 1 , Для простоты рассмотрения на фиг.1 показан пороговый уровень DO ,. равный нулю и соответствующий нулевым значениям

25 сигнала 1 в точках А и Б, а также показан сигнал 5, точно (без задержки) соответствующий точке А сигнала 1, где производная имеет положитель

на, так как форма сигнала 1 отличная от синусоидальной, хотя ее среднее значение равно нулю.

Выходной сигнал испытуемого объекта, представляющей текущий результат аналого-цифрового преобразования

сигнала 3, в моменты действия сигналов 5, сравнивают с опорньм сигналом 4, равным заданному пороговому уровню DO 0. При сравнении текущий результат аналого-цифрового пре- образования сигнала 3, равный мгновенному значению сигнала 3 в момент действия сигнала 5 (фиг.1), представляется цифровым кодированным сигналом с соответствующим числен-

ным значением. Опорный сигнал 4, равный нулю, представляется также цифровым сигналом, с численным значением равным , т.е. с нулевым . кодом ВО всех разрядах.

Посредством результирующего сигнала 6 сравнения опорного сигнала 4 и теку1чего результата преобразования сигнала 3, формируют сигнал 2 следующим образом. Если результат

аналого-цифрового преобразования сигнала 3 в момент действия сигнала 5 равен сигналу 4, то сигнал 6 из- jменяется из состояния низкого уров5

ня в состояние высокого, в результте чего сигнал 2 начинает нарастат Если результат преобразования сигнала 3 больше сигнала 4, то сигнал 6 изменяется в состояние низкого уровня, а сигнал 2 начинает спадать. Описанный процесс многократно повторяется, при этом сигнал 2 колеблется относительно заданного опорного сигнала 4, равного в рассматриваемом случае заданному пороговому уровню .

В соответствии со способом при сравнении измеряют среднее значение сигнала 2. Поскольку сигнал 4 установлен равным , среднее значение сигнала 2 численно также должно быть равно . Отличие ег от величины тем меньше, чем точнее выполняется равенство между мгновенными значениями сигналов 3 и 4, сравниваемыми в моменты действия сигналов 5.

Поскольку реальный испытуемьй А1Щ имеет задержку отсчета величина которой заранее точно не известна, то действительное значение сигнала 3 соответствует точке которая определяется моментом дейсвия сигнала 5, задержанного на Т(хи, Из-за различия между значениями синала 3 в точках А и Г формируется сигнал 2, среднее значение которог отличается от нулевого на величину различия значений сигнала 3 в точках А и Г. I

Затем согласно способу изменяют величину порогового уровня сигнал дискриминации относительно заданного порогового уровня до велич Uh . В результате происходит формирование сигналов 7, соответствующих переходам сигнала 1 - через пороговый уровень и . По величине временного интервала i, по величине и знаку отклонения уровня Ut, от UQ определяют величину и знак произвоной в точке перехода сигнала 1 чер заданный пороговый уровень U . Пр этом для формализации определения величины и знака производной принимается, что Lh имеет условно отрицтельный знак, если сигнал 5 задержан относительно сигнала 7, и положительный, если сигнал 7 задержан относительно сигнала 5, Величи«ы проговых уровней {J и Uo алгебраически вычитаются с их знаками, а

величина и знак производной определяется, KaK 3lJ/dt i-Uh -Uo(thH для точки А(фиг. 1) равна dU/dtt-Un-0/- /J- Величина изменений порогового уровня (J), относительно U, ограничивается допустимой методической погрешностью линейной аппроксимации сигнала 1 в точке А. С учетом указанного формального правила определение велиQ чины и знака производной может быть произведено в любой точке сигнала 1, например Б.

При дальнейшем изменении порогового уровня фиксируют его измененную

5 величинуUT J J, при равенстве измеренного с реднего значения В сигнала 2 величине заданного порогового уровня Uo Зафиксированной величине Отачл соответствуют сигналы 8, которые

0 опережают по времени сигналы 5 на величину Tu,u,n . При этом-действительные моменты сравнения результата преобразования сигнала 3 с опорным сигналом 4, равным заданному уровню

5 о 0, точно соответствуют точкам А сигнала 1, значение сигнала 1 в которых равно (Jo , а величина и знак производной определены.

В соответствии со способом одноQ временно с фиксациейиг цп формируют вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9, период повторения которых должен быть большим кли равным Тпр и кратным перио; У сигнала 1. Синхронизируют сигналы 9 с сигналами 8. В результате синхронизации добиваются периодического совпадения одного из сигналов 9 с сигналами 8 и получают сигналы 10.

„ Таким образом обеспечивается точная

U

Привязка -по фазе сигналов 10 с сигналами 8 и сигналом 3, т.е. становится точно известным местоположение любого из сигналов 10 относительно сиг- нала 3. 5

После синхронизации сигналов 9 с сигналами 8 дискретизируют сигнал 3 посредством сигналов 10, используемых -для стробирования испытуемого

АЦП. В результате выполнения рассмотренных операций способа действительные моменты дискретизации сиг- лала 3 соответствуют сигналам 11, в моменты сравнения выходного сиг5 н;1ла испытуемого объекта с опорным соответствуют сигналам 5. Поскольку сигналы 11 (фиг.О соответствуют различным значениям сигнала 3 в пре5

делах перГиода сигналов 5, а сигналы 5 всегда соответствуют одним и тем же значениям сигнала 3 в точке А, то с учетом известной величины - знака производной в точке А и периода ТПР сигналов 11 - имеет место соответствие точно известных условий испытаний измеряемой динамической характеристике преобразования. Одновременно с фактической дискретизацией сигнала 3 в моменты действия сигнало 11 сравнивают, фактически в моменты действия сигналов 5, выходные сигналы испытуемого АЦП с опорными сигналами 4, соответствуюрд1ми выбран- ным точкам его характеристики npeoepa зования.Таким образом,при ее измерени обеспечиваются реальные условия испытуемого объекта с учетом влияния как величины и знака производной, так и переходных процессов установления в нем при преобразовании разных значений сигнала 3.

Влияние этих факторов при формировании сигнала 2 приводит к откло- нениям средних значений сигнала 2 от опорных сигналов 4, соответствующих выбранным точкам характеристики преобразования. Отклонения связаны с тем, что значения результата преобразования сигнала 3 в точках А в моменты сравнения отличают от действительных значений из-за неспособности испытуемого преобразователя правильно реагировать во всех точках характеристики преобразования на заданную величину (знак) производной испытательного сигнала 3 при стробировании А1Щ с заданным ТПР.

Выбирая частоту и амплитуду сигнала 1, а также период повторения ТПР сигналов 9, можно в широких пределах варьировать исходные условия измерения динамических характерис- тик преобразования, соответствующих значениям этих параметров. При этом задавая все или только выбранные точки характеристики посредством задания соответствую1цих опорных сиг- налов 4 по отклонениям от них средних значений, сформированных в процессе измерений сигналов 2, можно судить о всей или отдельных

участках динамической характеристи ке преобразования, контролируя появление отклонений, равных или больших допустимым.

с юи 2025зо40

35

55

Устройство работает следуюпд1м образом.

Выходной сигнал блока 12 поступает на сумматор 14 вместе с сигналом 2 с выхода блока 13. Суммарный сигнал 3 с выхода сумматора 14 подается на вход испытуемого . Одновременно выходной сигнал 1 блока 12 подается на вход блока 21.

С выхода блока 19, который 1}ред- ставляет источник стабильных напряжений, задаются пороговые уровни, соответствующие UQ , t) п и итс,о,п . Величины Up и Un задаются постоянными, а пороговый уровень на третьем выходе изменяется до фиксации величины посредством блока 20, представляющего любой фиксируемый регулятор напряжений, например градуированный потенциометр, положение которого фиксируется оператором при изменении уровня напряжения. Р мпульс- ные сигналы 5 и 7 с первого и второго выходов блока 21 поступают на входы измерителя 22 временного интервала, а с третьего выхода сигналы 8 поступают на вход синхронизируемого генератора 23. При логическом сигнале с низким уровнем (логический О), поступающим на вход управления генератора 23 с выхода блока 17, синхронизируемый генератор выключен и импульсные сигналы с третьего выхода измерителя 22 проходят через генератор 23 на входы стробирования АЦП 15 и блока 16 сравнения.

На входе испытуемого АЦП 15 действует при этом суммарньй сигнал 3 (фиг.1). В моменты стробирования АЦП 15 мгновенное значение напряжения сигнала 3 на его входе равно текущему значению напряжения сигнала 2 на выходе блока 13. Пусть на вход блока 16 с выхода блока 17 задан код, численно равньй UQ . Если выходной код АЦП 15, полученный при стробировании, равен при сравнении коду с выхода блока 17, то результирующий сигнал 6 с выхода блока 16 управляет блоком 13 таким образом, что выходное напряжение блока 13 начинает возрастать Когда оно достигает значения, при котором.выходной код испытуемого А1Ш 15 превьшает код, установленный в блоке 17, выходной сигнал 6 блока 16 управляет

блоком 13 так, что напряжение на его выходе начинает уменьшаться.

Изменяя величину порогового уровня на третьем входе блока 21, сдвигают по фазе импульсы на третьем выходе блока 21 относительно сигналов с вькода блока 12, При этом измеряют среднее значение напряжения на выходе блока 13 с помощью цифрового интегрирующего -вольтметра 18. Когда измеренное среднее значение напряжения сигнала 2 на блока 13 становится равно установленному с блока 19 на пер-- вом входе блока 21 уровню напряжения УС, 5 фиксируют уровень напряжения на третьем входе блока 21 при: прмоащ блока 20. После фртксации на третьем выходе блока 21 фо)миру- ются импульсы 8 (фиГоО, точно определяющие резуль .гат преобразования /ЩП 15 гголожания сигнала 3 в Точке А с учетом компенсации влияния задерхасч отc.iera Таицгг Вели- . чику производно } сигнала 3 в этой и ее энак ситределяют по установленным зкаченкям напряжений IJo Un () на первом и втором выходах блока I9 и врэменному инЛтервалу in , измеряемому измерителем 22 временного интгр)зала. При этом величины - Un и UQ алгебраически вьгчитаются с их знаками., а для L(, условно принимается отрицательный знак, если сигнал 5 задерлсан относительно сигнала 7,, и положительньш9 если сиг нал 7 задерлак относительно сигк.зла 5, При фиксированном подключении входов измерителя 22 к выходам блока 21 уг. С. легко обнаруживается по результату измерения либо непосредствекно величины L в первом случае, либо величины 5 ДР- Т,- - период сигнала 1 (фиг..1). Исходя из этого величина н знак производной в точке А (фиг„1) равна dU/(:it -Un-C /-tvi UH(Lj,.

При изменении логического сигнала на управляющем входе синхронизируемого генератора 23 в состояние с высоким уровнем (логическая 1) происходит его включение в автоколебательный режим. При этом генератор 23 синхронизируется импульсами

8, работая с собственным периодом повторения импульсов 9 - Tf,p , вы- бранным кратным периоду TC повторения импульсов 8. На первом выходе 5 генератора 23, подключенном к входу стробирования АЦП 15, действуют импульсы 10, а на втором выходе, подключенном к входу стробирования блока 16, - импульсы 8,

10 В результате обеспечивается стро- бирование испытуемох о А1Щ 15 в моменты времени (импульсы 11, фиг.1), соответствующие различным значениям напряжения сигнала 3 на выходе сумма15 тора 14. Одновременно обеспечивается управление формированием сигнала 2 на выходе блока 13 только в моменты сравнений (сигнал 5, фиг.1), когда мгновенные значения.напряжения на

20 выходе блока 13 должны быть равны М1 повенным значениям напряжения на входе испытуемого АЦП 15.

Среднее значение выходного напряжения блока 13 измеряется в тече25 ние большого числа циклов его изменения цифровым интегрирующим вольтметром 18. Цифровой результат измерения соответствует границе перехода от одного кванта к другому на

30 характеристике преобразования испытуемого ЩИ 15. Отклонение цифрового результата измерения (среднее значение В) от кода (опорного сигнала 45 фиг.1), задаваемого с первого

35 выхода блока 17 на второй вход блока 16,, характеризует погрешность динамической характеристики преобразования в этой точке. Погрешность точно соответствует определенной ве40 личине и знаку производной и заданному Тпр .

После регистрации оператором результата измерений в блоке 17 задания кодов устанавливают код, со45 ответствующий значению следующей

точки измеряемой характеристики преобразования. Измерения повторяются при неизменных значениях кода на втором выходе блока 17, пороговых

50 уровнях напряжений UQ , (In ,итьи,п на входах блока 21 и неизменной величине ТПР до получения полной информации о всех точках характеристики преобразования испытуемого АЦП.

фиг. 1

1, Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в суммировании двух испытательных сигналов с разной скоростью изменения, подаваемых на испытуемый аналого-цифровой преобразователь, формировании основных тактовых сигналов при переходе быстро изменяющегося испытательного сигнала через опорный уровень, формировании кода, пропорционального сумме двух испытательных сигнапов, и сравнении данного кода с заданным кодом в моменты поступления основных тактовых сигналов, формировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения, измерении кода среднего значения медленно из- меняюР1егося испытательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при сравнении кодов в качестве заданного кода используют код соответствующего опорного уровня после измерения кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, величину опорного уровня изменяют до момента равенства кода . измеренного среднего значения-медленно изменяющегося испытательного сигнала заданному коду опорного уровня, в точке перехода через опорный уровень быстро изменяющегося испытательного сигнала определяют величину и знак его производной, формируют вспомогательную последовательность тактовых импульсов с синхронизацией ее с основными так- товьми сигналами, а формирование кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов на последующих тактах преобразования, осуществляют в моменты поступления вспомогательной последовательности тактовых сигналов, измеренный код среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, соответствующий определенной величине производной быстро изменяющегося сигнала, используют в качестве параметра динамической характеристики испытуемого аналого-1Щфрового преобразователя. 2, Устройство для измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, содержащее блок формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала, блок формирования медленно изменяющегося испытательного i (Л С IND о 00 а со