Способ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя Советский патент 1987 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки линейности умножающего ЦАП при определении его гра дуйровочной характеристики.

Цель изобретения - повьш1ение точности калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя

На фиг. 1 приведены статические характеристики 1 и 2 преобразования (сплошной линией - без изменения полярности опорного напряжения ЦАП; пунктирной - с изменением полярности опорного напряжения ЦАП); на фиг. 2 - участок характеристики 3 преобразова- ния умножающего ЦАП, используемый для представления одного аналогового эквивалента двумя различными кодами (прямым и дополнительным); на фиг. 3 схема устройства, реализующего пред лагаемый способ калибровки умножающего ЦАП.

Устройство калибровки содержит калибруемый ЦАП 4,,выполненный на кодо- управляемом делителе 5, коммутаторе 6 выходном суммирующем элементе 7, резисторе 8 знакового разряда и инверторе 9, инвертор 10, микроэвм 11j источник 12 опорного напряжениЯг делитель. 13 напряжения, вольтметр 14 и переключатели 15-17.

Сущность способы калибровки умножающего ЦАП заключается в следующем,

Статическая характеристика 1 преобразования описывается уравнением:

1 ,(i: ri -а.- aj),

г1

т-

где UM - выходное напряжение ЦАП;

и„

а.

зн

-опорное напряжение;

-(1 либо 0) разрядные коэффициенты.

При переводе работы ЦАП в смежные квадранты преобразования (пунктирная линия) выходной сигнал описывается выражением:

(a3H-Z |.;а,).

о о 1 о 01

11100

ЕЗК -.

Сверху в первой квадратной скобке показан единичный код включения первого .(старшего) разряда с погрешностью + , из первого гсвадранта преобразования, а ВНИЗУ; в этой же скоб10

5

.

76572

Режим работы испытуемого ЦАП в предложенном техническом решении соответствует характеристике 3. Ее левая ветвь образуется при включении знакового разряда преобразователя и одновременном изменении полярности входного аналогового сигнала (опорного напряжения), Характеристика 3 циф- роаналогового преобразования в отличие от характеристики 1 и 2 имеет по два аналоговых эквивалента (одинаковых по модулю и знаку выходного аналогового сигнала), соответствующих двум различным кодам преобразования.

- ,

20

25

При цифроаналоговом преобразовании каждый разряд преобразуется в свой аналоговый эквивалент согласно своему весу с погрешностью. Погрешность от включения i-ro разряда в первом квадранте имеет, например, знак плюс и меняет свой знак при включении этого же разряда в смежном квадранте , преобразования за счет смены знака

30

35

40

опорного напряжения.

Предположим, что включение старшего разряда в первом квадранте дает на выходе ЦАП величину аналогового сигнала +5В + 0,1В (где +5В идеальное значение аналоговой величины от включения старшего разряда; 0,1В весовая погрешность преобразования в первом квадранте). Второе значение сигнала +5В, полученное во втором квадранте преобразования с погрешностью, образуется суммированием сигнала - эквивалента полной шкалб преобразования с инверсным значением разрядного веса 10 В - 5,1 В 4,9 В, причем 4,9Б 5В-051В (где : -0,1 В).

Представим единичные коды первого 45 квадрайта и коды зквиваленты второго квадранта с их погрешностями группами, считая, что 1Щ1 имеет четьфе основных разряда и один знаковый::

+ v 0010

1 1 1 о

1

+ 4

Г О О о о П

LI 1 11 1j

зн

о 1

Е -EI

(3)

ке, - эквивалентный код включения первого (старшего) разряда с погрешностью ,,, из первого квадранта

Э Н

преобразования. Этот код является дополнительным, с погрешностями зн

313176574

и , соответственно. В остальныхкомпенсации на дифференциальных вхоквалраткьпс скобках приведены цифро-дах вольтметра 14 посредством регувые эквиваленты с весовыми погреш-лировки делителя 13 напряжения и

костями четырехразрядного умножаю-полученные на выходе вольтметра 14,

щего ЦАП. Аналоговые эквиваленты пря- сможно представить: мого и дополнительного кодов после

и,.+,-А 1 Г В

.и,,-А J Uj+ejH-E -Ej-BJ

(3)

где Ц, , Uj-j ..., U. - идеальные значения аналоговых эквивалентов преобразуемых кодов А, В, С - компенсирующее напряжение, снимаемое с выход делителя 13 напряжения.

Вычитая из верхнего значения аналогового эквивалента (2) нижнее в каждой квадрантной скобке, получают систему уравнений: Л, 2Е,-Езн ;

+ f-,-t3K; Л, +

Й4 2 4+ез+Е -езн,

где J, - 4 - представляют собой вторы разности и могут быть получены, например, следующим образом. На вход ЦАП 4 подают единичный код, и при помощи делителя 13 напряжения компенсируют на входе дифференциального .вольтметра 14 выходной сигнал ЦАП 4 до получения нулевого отсчета на вы ходе дифференциального вольтметра 14 После этого на вход ЦАП 4 подают другой код (дополнительный), соответствующий аналоговому эквиваленту первоначально полученного вьп4:одного сигнала в соседнем квадранте преобразования, а на выходе дифференциального вольтметра 14 фиксируют полученное отклонение от первоначальной компенсации делителем 13 напряжения выходного с сигнала ЦАП 4.Зарегистрированная при этом вольтметром 14 величина напряжения является величиной л.

Решая систему (3) относительно весовых разрядных погрешностей f ,..., 6i , получают систему для 4-разрядног ЦАП:

f + hiL.

t, -2 + 2

Uj+Ej-C

(2)

v,+ e,-l,,-cj.

В общем виде любое уравнение системы (4) можно также представить, как

), (5)

что позволяет легко составить систему уравнений для ЦАП любой разрядности. Характерной особенностью преобразования умножающего ЦАП во втором квадранте преобразования является инвертирование аналогового вхрдного (опорного) сигнала. Чтобы погрешность инвертирования ЕИН опорного напряжения не входила дополнительной погрешностью при калибровке, учитывают, „н с учетом весового перераспределения. При этом система (3) принимает следующий вид:

2

I

30

2 ,-е5н- g 3 2Ej+e + 3H-

UH

(6)

,+&i + E -g5H- YgEwH.

Решая систему уравнений (6) отно- ительно погрешностей, получают систему :

где определяют из ряда 1/4, 1/4, 3/8, 1/32, 1/32, 3/64, 1/256, 1/256,

3/512, 1/204S; 1/2048; ..., для i -1,2,3,4,5,6,7,8,9,... Полагая ,„ и , неизвестными величинами, необходимо доопределить систему уравнений (7), Наиболее просто это,можно сделать, используя предельные точки

+ Е, + 62 +ЕЭ ГО 1 1 1 . 10 О О .

. езн

(

Ei + ej+.

Считая, что Е„ц необходимо учитывать при калибровке ЦАП, имеющих 10 разрядов и более, слагаемым /2 выражения (9) можно пренебречь. Тогда (9)

принимает вид: п

h4-i

Z. + En- ЕЭН

ii1

П I,.

Из которого ЕП 4п+1 (

Выходной суммирующий элемент 7 ЦАП 4 может быть как инвертирующим, так и неинвертирующим. С учетом этого окончательное доопределение системы уравнений (7) для ЦАП представленной структуры с инверсией на элементе 7, наиболее просто достигается дополнительным уравнением:

п «г

.

(11)

где Ла разница, зафиксированная цифровым дифференциальным вольтмет- рбм 14, между выходным напряжением ЦАП при всех включенных весовых разрядах и напряжением, снятым с выхода дополнительного инвертора 10 (на схеме фиг. 3 такой режим организуется при состоянии контактов переключателей 15 и 16 в указанном на схеме положении и противоположном указанному положении для переключателя 17); q - едийица младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП, значение которой находится в памяти микроэвм 11.

Для этого же типа ЦАП, выполнен- ного с инверсией на элементе 7, уравновешивание разрядных весов производится опорным напряжением делителя 13 через подключенный к его выходу переключателем 16 инвертор 10. Если же суммирующий элемент 7 не вьшолняет дополнительной функции инверсии, то

характеристики преобразования. С учетом использованных при выводе систему уравнений (3)i представлений за- писывёют следующие коды - эквиваленты со своими разрядными весовыми по- грещностями:

(9)

ин 2 „- эн- 2 доопределение системы уравнений (7) до получения полного решения можно произвести, дополнив ее уравнением:

20

ЕИН }н

(12)

5

0

5

0

5

где йп - разница, зафиксированная

вольтметром 14,

между напряжением на выходе ЦАП с включением лишь знаковым разрядом и выходным напряжением дополнительного инвертора 10 при входном опорном напряжении. Таким образом, дополнив систему уравнений (7) двумя уравнениями (10)-(11) или (12) в .зависимости от типа выходного элемента ЦАП, можно расчитаТь не только весовые разрядные погрешности, но также определить погрешность знакового разряда. Определив из уравнений (7)-(12) весовые разрядные погрешности, производят калибровку линейности для любой точки шкалы по формулам: э.-,-,

где i - весовая погрешность i-го разряда,

а - коэффициент, равный 1 или О, в зависимости от того, включен или выключен соответствующий разряд ЦАП.

HopNmpyeMbtfi для микроэлектронных ЦАП точностный параметр - нелинейность - находится по формулам:

КсО

н - i ы

(13)

где Eij , f ,- - разрядные весовые погрешности со знаком + или -, причем , если отсутствуют нуле- вые значения весовых разрядных погрешностей. При абсолютном сохранении для испытуемого ЦАП принципа суперпозиции на всех уровнях преобразования

Z.e:,2: E;,- (14)

KZO

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

На цифровой вхЬд ЦАП подают коды, поочередно включающие каждый раз весовые разряды преобразователя.

Аналоговые сигналы напряжения, снимаемые с выхода ЦАП 4 и соответ- вующие разрядным весам, компенсируются на входе дифференциального вольтметра 14 Напряжением, снимаемым с выхода делителя 13 напряжения через переключатель 17, если суммирующий элемент 7 ЦАП 4 выполнен неинвертирующим. Если же суммирующий выходной элемент ЦАП 4 инвертирующий, то компенсация выходных аналоговых, сигналов ЦАП 4 осуществляют по цепи: делитель 13 напряжения - контакты переключателя 16 - инвертор 10 - контакты переключателя 17 - инвертирующий вход вольтметра 14. После этого каждый раз меняют на входе ЦАП 4 цифровой сигнал одновременно с инвертированием на его аналоговом входе опорного напряжения посредством инвертора 10 и переключателей 15 и 16 .таким образом, что на выходе ЦАП 4 . создают сигналы, равные, без учета разрядных погрешностей, по модулю и знаку соответствующим разрядным весам. Полученные при этом на выходе дифференциального цифрового вольтметра 14 разности 4,, 4, ..., Лп фиксируются в памяти микроЭВМ 11. Недостающие для вычисления весовых разрядных погрешностей разности Дц, йа получают следующим образом:

включают все весовые разряды ЦАП 4, компенсируют выходным напряжением делителя 13 сигнал с выхода ЦАП 4 на входе дифференциального вольтметра 14 после чего меняют на входе ЦАП 4 циф- ровой сигнал на код, соответствующий включению знакового и МЗР, Одновременно подключают посредством переключателя 15 выход инвертора 10 к аналоговому входу ЦАП 4. При этом на вы- ходе дифференциального .вольтметра 14 получают разность Лп+-1 которую затем подают на вход микроЭВМ 1,1. Разности д л получают непосредственно путем подключения выхода инвертора 10 через переключатель 17 к инвертирующему входу дифференциального вольтметра 14, а затем компенсацией наппя

жения на его входе сигналом с выхода ЦАП 4 путем включения либо одного его знакового разряда, либо всех весовых разрядов в зависимости от типа выходного суммирующего элемента 7 (инвертирующий или неинвертирующий). Далее микроЭВМ 11 согласно выражениям (7-14) Обрабатывает результаты измерения до получения Н и И и градуировки характеристики ЦАП в требуемых точках шкалы преобразования.

Формула изобретения

5

5

0

Способ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя, основанный на последовательном для всех его п разрядов измерений первой разности между выходным сигна лом калибруемого цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего единичного кода и соответствующим дополнительным сигналом и измерении второй разности между выходным сигналом калибруемого, цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего кода и тем же дополнительным сигналом и последующей обработке результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности калибровки, одновременно с измерением первой разности осуществляют регулировку соответствующего дополнительного сигнала до достижения первой разностью нулевого значения, измерение второй разности проводят при подаче на вход контролируемого цифро- аналогового преобразователя .кода, дополнительного единичному, и при инвертировании его опорного сигнала после измерения вторьпс ; разностей для -всех разрядов осуществляют дополнительное последовательное измерение (п+1)-й первой разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя максимального положительного кода с одновременной регулировкой соответствующего дополнительного сигнала до достижения (п+1)-й первой разностью нулевого значения и измерения (п+1)-й второй разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя кода, допол-нительного коду при измерении (п+1)-й первой разности, и при инвертировании его опорного сигнала. После чего измеряют дополнительную разность между

5

0

инвертированным опорным сигналом и выходным напряжением калибруемого цифроана югового преобразователя при подаче ка его вход кода, соответствующего включению только знакового разряда, а при обработке результатов измерения определяют абсолютные погрешности разрядов калибруемого циф- роаиалогового преобразователя по формуле:

с i

. - I «.l-v«

-i 2 . 2 Ir- ,

ж -2

+ -2J. Л,- - 2Г

,,-(,--езн);

Еин

де ,2,..

Л - соответствующие измеренные вторые разности для ,..., п+1,

ЕЗН- погрешность знакового разряда;

цн - погрешность инвертированного опорного сигнала.

К - коэффициент, выбираемый из ряда 1/4, 1/4, 3/8, 1/32, 1/32, 3/64, 1/256, 1/256, 3/512, ... соответственно

для ,2,3,4,5,6,7,8,9

определяют погрешность линейности калибруемого пиАроаналогового преобразователя по формуле

Г a;f;,

где а 0,1 значение соответствующего разряда для соответствующего кода шкалы преобразования, и интегральную нелинейность калибруемого цифроанапо- гового преобразователя по формулам

l, 2е;.,

где - положительные значения аб

солютных погрешностей разрядов;

- отрицательные значения абсолютных погрешностей разрядов калибруемого цифро- аналогового преобразователя.

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Цель изобретения - повышение точности калибровки - достигается за счет устранения погрешностей, связанных с формированием дополнительной аналоговой меры путем изменения условий проведения операций измерения первых и вторых разностей между выходным сигналом калибруемого ЦАП и дополнительным сигналом, введением допол- .нительных операций по измерению (п+1)-й второй разности и дополнительной разности, а также изменением расчетных соотношений при обработке результатов измерений. 3 ил. со sl Од сд

Ф1/г.1

l

0 9

H

Составитель В.Першиков Редактор Л.Пчелинская Техред Л.Олийнык Корректор М.Шароши

Заказ 2435/55 Тираж 901Подписное

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

фиг. 2

цг.5