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

1. Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано для измерения динамической погрешности быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в измерительных

системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.

Целью изобретения является повыинтервале, а знак и абсолютное значение крутизны изменяются согласно совокупности и последовательности выполнения операций способа. В результате обеспечивается измерение динамической погрешности испытуемого А1Щ при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический

спектр, соответствующий заданному шение точности измерения динамической ,о энергетическому спектру входных сиг- погрешности АЦЦ.

На фиг. 1 приведены временные ди- ( аграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная

налов испытуемого АЦП и виду закона распределения энергии по диапазону рабочих частот.В соответствии с предлагаемым спосхема устройства для реализации пред-f собом могут быть обеспечены наилуч- лагаемого способа,шие, с точки зрения точности измереНа фиг. 1 показаны: линейно изме- ний, условия. Этим условиям удовлет- няющийся входной сигнал 1, подавае- воряют: требование формирования ли- мый на вход испытуемого АЦП, первая 2 (верхнее значение Ug) и вторая 3 (нижнее значение U) границы диапазонейно изменяющегося испытательного 20 сигнала, имеющего равномерную плотность распределения значений в пределах диапазона преобразования испытуемого АЦП, и задание необходимого числа различных значений крутизны

на U Ug - UH преобразования АЦЦ, импульсы 4, обеспечивающие преобразование сигнала 1 АЦП, функция 5 числа

выпадания каждого из кодов АЦП от ну-25 испытательного сигнала. Это позволяет левого до 2 -1-го, где m - число увеличить точность измерения динами- разрядов испытуемого АЦП, t, i чгской погрешности преобразования, О, 1, 2,. . , N - моменты равенства благодаря обеспечению одинаковых ус- сигнала 1 и границ 2 и 3; bt - период ловий для числа выпаданий всех кодов преобразования АЦП, Т- - длительность ЗО испытуемого АЦП, устранению, незави- временного интервала между моментами симо от разрядности АЦП, эффекта пеи

t.4,

d- угол наклона 1-го

участка сигнала 1 по отношению к границам 2 и 3, К,- Uo/Tj - крутизна i-ro участка сигнала 1, N - число участков (крутизн) сигнала. Ц;, j 0,1,..., - значение аргумента ункции 5.

Под термином фрагмент сигнала

понимают участок линейно изменяющего- с го 12-14. Это обусловлено тем, что в

нем, независимо от разрядности АЦП,

ся испытательного сигнала, заключенный между границами изменения сигнала по амплитуде и имеюш;ий постоянную производную по времени. Производную

исключаются влияния эффектов периодизации и амплитудного сдвига (сдвига нуля испытуемого АЦП) испытатель- по времени (графически, тангенс угла 5 ного сигнала в пределах диапазона наклона сигнала к оси времени) назы- преобразования. По сравнению с изве- вают крутизной сигнала и обозначают стным предлагаемое устройство позво- буквой К. Таким образом, i-й фраг- ляет обеспечить условия измерения ди- мент сигнала имеет крутизну К-, намической погрешности испытуемого Предлагаемый способ позволяет уве- Q АШТ, адекватные реальным условиям

личить точность измерения динамической погрешности АЦП за счет обеспечения адекватности условий измерения реальным условиям работы испытуемого

АЦП в динамическом режиме. Конкретно случайных чисел, выходы цифровых коэто определяется формированием испытательного сигнала, значения крутизны которого распределены случайно с плотностью распределения в заданном

дов абсолютного значения крутизны и ее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогово- го преобразователя (ЦАП) 7, выход коинтервале, а знак и абсолютное значение крутизны изменяются согласно совокупности и последовательности выполнения операций способа. В результате обеспечивается измерение динамической погрешности испытуемого А1Щ при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический

спектр, соответствующий заданному энергетическому спектру входных сиг-

налов испытуемого АЦП и виду закона распределения энергии по диапазону рабочих частот.В соответствии с предлагаемым спо ний, условия. Этим условиям удовлет- воряют: требование формирования ли-

нейно изменяющегося испытательного 20 сигнала, имеющего равномерную плотность распределения значений в пределах диапазона преобразования испытуемого АЦП, и задание необходимого числа различных значений крутизны

35

риодизации и исключению влияния амплитудного сдвига (дрейфа) испытательного сигнала в пределах диапазона амплитудных значений испытуемого АЦП.

Устройство, реализующее способ, обеспечивает точное измерение динамической погрешности АЦП с разрядностью;

исключаются влияния эффектов периоего работы.

Устройство для измерения динамической погрешности АЦП (фиг.2) содержит цифровой формирователь 6 псевдодов абсолютного значения крутизны и ее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогово- го преобразователя (ЦАП) 7, выход ко313

торого соединен с входом аналогового интегратора 8, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преоб разов ателя (АЦП) 9, выходы которого через блок 10 регистрации, соединены с входами вычислительного блока 11, генератор 12 импульсов. Выходы компараторов 13-и 14 подключены к управляющим входам формирователя 6 псевдослучайных чисел, а вторые входы компараторов 13 и 14 подключены, соответственно к источникам опорных напряжений U и U. Выход АЦП 9 через блок 10 регистрации соединен с входом вычислительного блока 11. Вы- ход генератора 12 синхроимпульсов подключен к входу стробирования АЦП 9.

Кроме того, на фиг. 2 обозначены А - выход цифрового кода, соответст- вующего абсолютному значению крутизны формирователя 6, Б - выход кода знака крутизны формирователя 6, В - управляющие входы формирователя 6.

В соответствии со способом осуществляют следующие оп ерации.

Формируют сигнал 1, необходимыми и достаточными условиями для которого является линейность изменения во времени с заданной величиной крутизны К;. На фиг. 1 показан сигнал 1 со значением крутизны К. после начала формирования и положительным знаком (нарастающий сигнал 1 от U к Ug).

Затем одновременно с преобразованием сигнала 1 испытуемым АЦП в моменты действия импульсов 4 сравнивают сигнал 1 с границами 2 и 3 диапазона Цд преобразования испытуемого АЦП. В соответствии со способом, при сравнении, в моменты tj равенства сигнала 1 и границ 2 и 3 (фиг. 1) изменяют знак крутизны Kj на противоположный и задают другое абсолютное значение крутизны. Из фиг. 1 видно, что в момент t абсолютное значение крутизны изменилось на другое (iKj J I I ), а знак ее изменился на противоположный, поскольку сиг нал 1 стал спадающим от Ug к U.

Значения крутизны сигнала 1 согласному способу задают случайно с плотностью распределения, определяв- мой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого АЦП. Энергетический спектр сигнала 1 определяется из выражения

314

S (и) м Ям - S (ы) г, (

N . ; .

где J - математическое ожидание выражения, стоящего в квадратных скобках; N - количество значений кру- тизн сигнала 1; Т - средняя длительность интервала времени, при котором сигнал сохраняет постоянную крутизну между моментами времени

N

Sjo)) G. (о)), 1 1.

где G - (о)) - Фурье-преобразование

фрагмента сигнала,имеющего i-ю крутизну; . 2Tif - циклическая частота.

Динамическая погрешность АЦП при преобразовании сигналов, имеющих на любой частоте энергию, не превышающую энергию сигнала 1 на этой же частоте, не больше, чем динамическая погрешность при преобразовании сигнала 1 .

Таким образом, полностью удовлет- ,воряется адекватность условия измерения и реальных условий использования испытуемого А1Щ, что увеличивает

точность измерения динамической пог- - - о

решности АЦП.

В соответствии со способом число значений крутизны задают по формуле

N L 2 -ut/T,

(2)

где L - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразователя.

Можно показать, что в случае задания числа значений крутизны N по формуле (2) обеспечивается исключение влияния эффекта периодизации на точность измерения динамической погрешности АЦП.

.

Регистрируя согласно способу цифровой сигнал АЦП L 2 раз в моменты действия импульсов 4, подсчитывают LJ - число выпаданий каждого, j 0, 1, 2, .. . , 2 - 1 кода АЦП. -Лри L :j 400-1000 относительная norpein- ность для L j при задании числа N по формуле (2) составляет не более 0,1- 0,15 с доверительней вероятностью 0,9973.

513024316

При известных заранее для АЦП ди- буемому распределению энергии по этс- апазоне преобразования Пд и числе раз- У диапазону.

рядов m может быть построена функция Устройство, реализующее предлагае- 5 числа выпаданий L, каждого кода и способ, работает следующим оора5

АЦП. Значение приращений аргумента

зом.

и

функции определяется как U. -U.

В исходном состоянии на выходе А (фиг. 2) формирователя 6 установлен цифровой код. Соответствующий значению крутизны К (фиг. 1). На вы U,.-

Учитывая данные о погрешности L. , относительная методическая погрешВ исходном состоянии на выходе А (фиг. 2) формирователя 6 установлен цифровой код. Соответствующий значе нию крутизны К (фиг. 1). На выность определения Uj - и, составит JO ОД Б установлен нулевой код, соне более 0,1-0,15 от величины разрешающей способности (и,,/2 ) аналого- цифрового преобразователя, что пренебрежимо мало.

После подсчета числа L - динамическую погрешность АЦП определяют согласно способу как

и

ответствующии положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значения и знака крутизны с выходов формиров теля 6 подаются на соответствующие 15 входы цифроаналогового преобразоват ля 7 в .момент (фиг. 1) и преоб разуются в напряжение, значение которого численно равно или пропорцио

Л - (L. - L) const (L.-L)-, (З: значению крутизны К. Ь JJ ,,, Пои и.. О няппяжйние я

JQ При и О напряжение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового пре образователя 7 изменится скачкообра но до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

JQ При и О напряжение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового преобразователя 7 изменится скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

т.е. как величину, прямо пропорциональную разности числа выпаданий каждого кода испытуемого АЦП и заданного числа выпаданий.

Выбор числа значений крутизны сиг-25 i-,- Скачок напряжения подается на

нала 1 зависит от плотности их распределения в интервале К ,KO, .J , где К

макс - a MHHJ -- мин мо Т - минимальное и максимальное значения крутизны К,- и дли-30 тельности Т соответственно. Для двух практически важных случаев равномерной и линейной нарастающей плотностей распределения количество крутизн

вход интегратора 8 с нулевьми начальными условиями, где интегрируется. В результате на выходе интегратора 8 формируется линейно изменяющийся сигнал 1 (фиг. 1) с крутизной K.;,j . Сигнал 1 поступает на вычитающие входы компараторов 13 и 14, которые сравнивают зтот сигнал с опорными напряжениями Ug верхней границы 2 диапа

сигнала Ш„ и N, соответственно оп- 35 ° преобразования АИД 9 и и„ нижней границы 3 этого диапазона.

ределяется по формуле

V, Ь: J.Ilj aiisC lBii4.I

Р Т -Т 1 п (Т /Т ) -макс мин мим

(4)

L 2 At (Т,

2Т.

.uuftsl-IiaaK)

(5)

тизны К;

Одновременно с зтим код

знака числа изменяется на единичный.

Распределение энергии по диапазону значений крутизны (диапазону час- соответствует отрицательному зна- тот) будет в случае равномерной плот- крутизны. В момент t , на вход ности распределения этих значений .-пропорционально натуральному логарифму от значения крутизны и равномерно

ти распределения значений крутизны (фиг. 1).

интегратора 8 скачком подается напряжение, равное или пропорциональное отрицательному значению крутизны К-.,, в случае линейно нарастающей плотное- -g результате на выходе интегратора 8

гптл T oriTTT iTT irT i члтжу Г1 п о тт л TiTJ-ri Tyr xTTiTJr / uri.

формируется линейно изменяющееся напряжение с крутизной - Uд/(t. - С|.,) Задавая интервал значений крутизны сигнала 1, число значений Lи плотность распределения значений К,-, мож- 55 мирование 6 новое число с знаком, но задавать энергетический спектр сиг- противоположным предыдущему, нала 1, cooтвeтctвyющий диапазону рабочих частот u)2Ttf 25Г Ki/U, ана- Процесс повторяется до тех пор, лого-цифрового преобразователя и тре- пока число N значений крутизны К,-,

- 1К., I. В момент t,- срабатывает компаратор 14 и устанавливает в форзом.

В исходном состоянии на выходе А (фиг. 2) формирователя 6 установлен цифровой код. Соответствующий значению крутизны К (фиг. 1). На Б установлен нулевой код, соответствующии положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значения и знака крутизны с выходов формирователя 6 подаются на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя 7 в .момент (фиг. 1) и преобразуются в напряжение, значение которого численно равно или пропорциои ьно значению крутизны К. Пои и.. О няппяжйние я

При и О напряжение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового преобразователя 7 изменится скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

i-,- Скачок напряжения подается на

вход интегратора 8 с нулевьми начальными условиями, где интегрируется. В результате на выходе интегратора 8 формируется линейно изменяющийся сигнал 1 (фиг. 1) с крутизной K.;,j . Сигнал 1 поступает на вычитающие входы компараторов 13 и 14, которые сравнивают зтот сигнал с опорными напряжениями Ug верхней границы 2 диапа ° преобразования АИД 9 и и„ ниж

ней границы 3 этого диапазона.

В момент t-., напряжение сигнала 1 становится равным Ug, компаратор 13 срабатывает и сигналом с его выхода по управляющему входу В формирователя 6 устанавливает в нем число, равное новому абсолютному значению крутизны К;

Одновременно с зтим код

соответствует отрицательному зна крутизны. В момент t , на вход знака числа изменяется на единичный.

соответствует отрицательному зна- крутизны. В момент t , на вход формируется линейно изменяющееся напряжение с крутизной - Uд/(t. - С|.,) мирование 6 новое число с знаком, противоположным предыдущему, Процесс повторяется до тех пор, пока число N значений крутизны К,-,

- 1К., I. В момент t,- срабатывает компаратор 14 и устанавливает в форзадаваемое по формуле (2), не будет исчерпано.

Напряжение с выхода интегратора 8 одновременно поступает и на аналоговый вход испытуемого аналого-цифрового преобразователя 9, на вход стробиро- вания которого поступают синхроимпульсы 4 (фиг. 1) с выхода генератора 12 синхроимпульсов. Цифровые коды с выхода А1Щ 9 регистрируются, в бло- ке 10 регистрации. После окончания регистрации заданного числа раз I/ 2 кодов АЦП 9 с выхода блока 10 регистрации цифровые коды поступают в вьтислительный блок 11, где посред- ством счетчика 15 подсчитывается число L j выпаданий каждого кода и посредством сумматора-вычитателя.16 вычисляется разность этого числа и заданного L числа выпаданий.

При практической реализации генератора 6 случайных чисел значение L числа задаваемых крутизн может быть ограничено сверху. Тогда точность, определяемую заданным числом L выпаданий каждого кода испытуемого А1Щ можно увеличить-выбором в соответствии с формулой (2) интервала значений крутизны испытательного сигнала.

Инструментальная погрешность изме рения динамической погрешности испытуемого АПД предлагаемым устройством определяется только диапазоном значений случайных чисел, числом разрядов и быстродействием цифроаналогового преобразователя и шумами аналогового интегратора. При имеющихся в настоящее ,время реальных ограничениях на эти параметры устройство позволяет измерять динамическую погрещность аналого-цифровых преобразователей с числом разрядов до 14-16 и частотой дискретизации до 1-2,5 МГц.

-

j fO f5 20

,

-30 35 40

25

Формула изобретения

Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в том, что на каждом такте измерения формируют код, пропорциональный входному сигналу, запоминают полученный результат, после чего не заключительном такте .подсчитывают число вьшаданий калдой кодовой комбинации и с учетом его определяют динамическую погрешность, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения,в качестве входного сигнала используют линейно изменяющийся сигнал, одновременно с формированием кода сравнивают линейно изменяющийся сигнал с граничными значениями диапазона преобразования и в моменты равенства значений линейно изменяющегося сигнала последним, изменяют знак его крутизны на профивоположный и при определении динамической погрешности исполь-- зуют величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждой кодовой комбинации и соответствующего заданного числа, причем абсолютные значения крутизны входного сигнала задают случайно, а число изменений знака крутизны линейно изменяющегося сигнала задают следующим образом ,гдe L - заданное число выпаданий казкдой кодовой комбинации, m - число разрядов испытуемого аналого- цифровогб преобразователя, U t - период преобразования, Т-средняя длительнось интервала между моментами равенства, входного сигнала и граниг чных значений диапазона преобразования.

t Л

.0125 1/

Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей может быть использован в сетевых измерительных системах. Способ заключается в преобразовании линейно изменяющегося испытательного стенда посредством испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Одновременно с преобразованием сравнивают испытательный сигнал с границами диапазона преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя. В моменты равенства испытательного сигнала с границами диапазона преобразования изменяют знак крутизны испытательного сигнала на противоположный и задают абсолютные значения крутизны испытательного сигнала случайно с плотностью, распределения, определяемой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Число значений крутизны задают по формуле N L- A.t/f, где L - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового пpeoбpaзoвateля, m - число разрядов испытуемого аналого-цифрового преобразователя, cJt - период преобразования, Т - средняя длительность интервала между моментами равенства испытательного сигнала и границ диапазона преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя. После этого регистрируют цифровой сигнал испытуемого преобразователя. Затем подсчитывают число выпаданий каждого кода аналого-цифрового преобразователя, а динамическую погрешность испытуемого аналого-цифрового преобразователя определяют как величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждого кода и заданного числа выпаданий . 2 ил. сл оо о to со