Способ измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей Советский патент 1987 года по МПК H03M1/10 

ности &с АЦП, равна по модулю и. противоположная по знаку медиане инструментальной погрешности и. , а значит, при симметричном распределении с Л, и ее среднему значению а .

Операция сравнения выходного кода h АЦП с контрольньм кодом а математически однозначно описывается с помощью злаковой функции

5с,(Ь,- - а) -1

В если h.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при метрологических испытаниях АЦП и цифровых вольтметров для измерения и контроля систематической составляюо1ей их инструментальной погрешности, т.е. погрешности уровня квантования.

Цель изобретения - повьшение статистической точности измерения систе- fO матической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЩТ) путем увеличения информативности усредняемых значений.

На чертеже .представлена структур- 15 ная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит источник 1 опорной величины, источник 2 вспомогательной величины, блок 3 суммирова- 20 ния, вьтрямитель 4, блок 5 умножения, блок 6 усреднения, блок 7 сравнения кодов (УСК7), входные 8 и 9, а также

выходную 10 шины. Контролируемый р АЦП обозначен на схеме позицией-ll,

Сущность способа измерения систематической погрешности АЦП заключается в следующем.

Направление изменения компенсиру- i-номер такта преобра - i ющей величины определяется в соответ- 30 дования контролируемого АЦП. Диапа- ствии с предлагаемым способом теку- до„ „з„енения вспомогательной равно- щим соотношением вероятностей, что ерно распределенной величины U, в контрольный код а меньше выходного соответствии с известным должен перекода АЦП P(h а) и наоборот P(h / а) крывать диапазон изменения инстру- путем использования операций сравне- 35 ментальной погрешности АЦПа.. Дру- ния и усреднения.j,n словами А ,/л /, ,

Действительно, результат h АЦ-пре- де /U./ Д„/„анс максимальные образования можно связать с входной значения величины U , погрешности опорной х, компенсирующей Хц вели- соответственно. чинами и инструментальной погрешнрс- 40 учитывая также, что величина х

выражена фактически в долях В и что диапазон ее изменения должен охватывать диапазон изменения . , значение амплитуды В целесообразно выбирать равным А. Этими условиями и определяются конкретные значения параметров А и В.

-В если h i а где S f ( ) - символ знаковой функции В - установленное значение знакового сигнала 2, определяемого результатом сравнения кода h и а.

Известный способ предполагает усреднение непосредственно знакового сигнала Z/t/. При этом в зависимости от способа реализации операции усреднения будет равно

xt,(t) {1/Т,) Z(t)dt x(i) (l/Q)Z(i),

тью следующим образом

h 0,5q)-«-&«)/q,

где q - ступень квантования А1Щ; символ, обозиачанодий целую часть;

(a-0,5) - опорная величина, равная номинальному значению контролируемого а-го уровня квантования AI0I. Из выражения видно, что событие h а соответствует событию (хц + + ) О и наоборот. При равенстве вероятностей событий h а и h а выполняется равенство Р(х &„ ) Р(х АИ), т.е. компенсирующая величина, представляющая собой оценку up искомой систематической погретПредлагаемый способ предполагает 50 усреднение произведения значения сигнала Z и абсолютных значений величины U. При этом операция перемножения в данном случае эквивалентна операции присвоения знака + или 55 значениям /Ь ь/ в зависимости от знака разности /h-a/, реализуемая, например, с помощью управляемого инвертора. Поэтому сигнал Z является фактически сигналом управления, а

ности &с АЦП, равна по модулю и. противоположная по знаку медиане инструментальной погрешности и. , а значит, при симметричном распределении Л, и ее среднему значению а .

Операция сравнения выходного кода h АЦП с контрольньм кодом а математически однозначно описывается с помощью злаковой функции

В если h.

5с,(Ь,- - а) -1

р t

-В если h i а где S f ( ) - символ знаковой функции В - установленное значение знакового сигнала 2, определяемого результатом сравнения кода h и а.

Известный способ предполагает усреднение непосредственно знакового сигнала Z/t/. При этом в зависимости от способа реализации операции усреднения будет равно

xt,(t) {1/Т,) Z(t)dt x(i) (l/Q)Z(i),

Предлагаемый способ предполагает 50 усреднение произведения значения сигнала Z и абсолютных значений величины U. При этом операция перемножения в данном случае эквивалентна операции присвоения знака + или 55 значениям /Ь ь/ в зависимости от знака разности /h-a/, реализуемая, например, с помощью управляемого инвертора. Поэтому сигнал Z является фактически сигналом управления, а

его амплитудное значение В должно выбираться из соображения обеспечения условий управляемости процессом инвертирования значений /1 ./ т.е. из соображений,определяемых конкретно аппаратной реализацией этой операции.

Учитывая приведенное выражение для кода h, можно утверждать, что S,/h-a/ ( х + UJ. Поэтому, для обеспечения возможности выравнивания вероятностей P(h а) и P(h : а) путем изменения компенсирующей величины х знак ее прирап1е- ния лх должен быть противоположен знаку разности /h-a/, т.е. (h-a), Таким образом, для обеспечения отрицательной обратной связи и компенсации &,Q с помощью х.

.

в соответствии с правилом

igсигнал Z должен быть сформирова соответствии с правилом (h-a Применение равномерно распр еделенной вспомогательной величины и, имеющей ту же физическую природу, что и величина х, при формировании входного воздействия на контролируемые АЦП не .изменяет в силу симметричности ее закона распределения, соотношение вероятностей P(h :5 а) и P(h а), Можно показать, что математическое ожидание усредняемых значений /Uj,/

Sej,t,( Ub) равно )l 1 (y):

S( . + .X

:to(y)dy, где

co{y) - плотность веро л +

x, Из приве-

ятности суммы у | денного выражения видно, что приращение компенсирующей величины х &o, получаемой в результате усреднения сигнала (Ь-а) будет равно нулю тогда, когда компенсирующая величина будет ранни со знаком минус искомому среднему значению погрешности Лц , т.е. систематической составляющей х ь Другими словами использование веса, равного модулю , при усреднения знакового сигнала Z-SQ,(h-a) не искажает искомой оценки й по сравнению с известным способом. Кроме того, происходит выравнивание и симметрирование плотности вероятностей значений входного воздействия, что важно для уменьщения возможной смещенности нс- комой оценкн ь из-за отличия непосредственно измеряемой медианы рас

+ X,

Ха + IJut

пределения суммы ь

от ее математического ожидания.

Введение в процессе формирования компенсирующей величины х операций

ой

130063А4

перемножения абсолютных значений

O

5

5

вспомогательной величины U на значения знакового сигнала Z, определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кода,позволяет за счет повьппения информативности усредняемых значений существенно повысить эффективность алгоритма усреднения, а значит и точность искомой оценки. При этом необходимо выполнение условия А, где А - амплитуда вспомогательной величины Ujj.

Увеличение статистической точности в способе объясняется следующим образом. Известный способ и устройство, его реализующие, предполагают усреднение знакового сигнала Z, принимающего всего лишь два значения +А, -А и имеющего биноминальное распределение, При этом дисперсия D знаковой оценки систематической по- грещности АЦП Ьс .равна А /Q, где Q - объем выборки, если осуществляется дискретное усреднение,

В предлагаемом способе в отличие

от известного реализуется весовое усреднение дискового сигнала Z, Усредняемая величина при этом будет иметь за счет вспомогательной величины Uj равномерное распределение, дисперсия которого при прочих равных условиях (т.е. А В) заведомо меньше дисперсии биноминального распре деления и равна А /3Q. Поэтому прн усреднении величины дисперсия оценки будет равна 0{ ь,.) , т.е. как минимум в 3 раза меньще, чем у чисто знаковой оценки.

Уменьшение дисперсии О Си,, оценки и обуславливает достижение положительного эффекта предлагаемого способа по отношению к известному способу, увеличение статистической точности измерения (как раз н характеризуемой как известно дисперсией оценки) или при заданной точности, уменьшение времени измерения,

Устройство реализующее данный способ, работает следующим образом.

Источник 1 обеспечивает формирование опорной величины х, равной номинальному значению контролируемого а-го уровня квантования х - q{a-0,5), где q - номинальная ступень квантования АЦПП, Источник 2 формирует вспомогательную равномерно распределенную величину Ut,, имеющую нулевое среднее значение и амплнту-.

ду, сравнимую с допустимым значением случайной составляюпгей инструментальной погрешности . С выхода блока 3 суммирования на вход контролируемогй преобразователя подается сумма х Ujj. Блок 7 сравнения кодов сравнивает текзтцее i-e значение выходного кода АЦП 11 h;, с опорным кодом а. При этом знак равности /К -а/ противоположен знаку суммы

(uui - ь) т.е. Sc}h(h;-a)

Ufa +

кы

Блок 5 умножения обеспечивает присвоение абсолютному значению /,/t поступающей с выхода вьшрямителя 4

И.1

при

знак - при h а а и + h а. Блок 6 усреднения осуществляет усреднение значений /1),./ «S(i(hj - а) и подает текущее среднее (i-t)-e значение оценки e.(.(t) на третий вход блока 3 суммирования.

Формирование сигнала обратной связи .io(t) на выходе блока 6 усреднения происходит так, чтобы появлеСпособ измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей, закгаочающийся в том, что на каждом i-м такте формируют входной сигнал путем суммирования опорного сигнала, .равного номинальному значению контролируемого уровня квантования, вспомогательного равномерно распределенного сигнала и компенсирующего сигнала, полученного на (i-l)-M такте, формируют код, пропорциональный входному сигналу, осуществляют сравнение полученного кода с опорным кодом и по результату сравнения формируют знаковый сигнал, положительный в случае, когда сформированный код меньше опорного кода,и отрицательный в случае, если сформированный код больше опорного кода, после чего определяют среднее значение знакового сигнала за t тактов, по которому судят о значении уг компенсирующего сигнала на (н-1)-м такте, отличающийся тем, что, с целью повышения статистической точности измерения, при-формировании знакового сигнала абсолютную

ние исходов h. :. а и hj а (т.е.по- .,„ величину последнего выбирают равной

явление единитда или нуля на выходе блока 7) было равновероятно.

текущему значению вспомогательного равнополярно распределенного сигнала

Составитель И.Романова Редактор И.Сегляник Техред А.Кравчук Корректор М.Пожо

1160/56

Тираж 902Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород,ул.Проектная,4

формула изобрете.ния

Способ измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей, закгаочающийся в том, что на каждом i-м такте формируют входной сигнал путем суммирования опорного сигнала, .равного номинальному значению контролируемого уровня квантования, вспомогательного равномерно распределенного сигнала и компенсирующего сигнала, полученного на (i-l)-M такте, формируют код, пропорциональный входному сигналу, осуществляют сравнение полученного кода с опорным кодом и по результату сравнения формируют знаковый сигнал, положительный в случае, когда сформированный код меньше опорного кода,и отрицательный в случае, если сформированный код больше опорного кода, после чего определяют среднее значение знакового сигнала за t тактов, по которому судят о значении компенсирующего сигнала на (н-1)-м такте, отличающийся тем, что, с целью повышения статистической точности измерения, при-формировании знакового сигнала абсолютную

текущему значению вспомогательного равнополярно распределенного сигнала.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при метрологических испытаниях аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Изобретение позволяет повысить точность контроля систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путем формирования входного воздействия суммированием, опорной величины, равной номинальному значению контролируемого уровня квантования АЦП, вспомогательной равномерно распределенной величины и компенсирующей величины. Последнкяо получают усреднением знакового сиг- нала, определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кoдa за счет того, что усреднение осуществляют с весом, равным абсолютному значению вспомогательной равномерно распределенной величины. 1 ил. ш (Л о 00 4