Устройство для измерения характеристик случайных погрешностей аналого-цифровых преобразователей Советский патент 1988 года по МПК H03M1/10 

(Л

.с

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при измерении метрологических характеристик аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устройства. Поставленная цель достигается благодаря использованию более совершенных знако вых алгоритмов измерений, реализация которых потребовала введения аналогового компаратора и новых связей. 3 3.П. ф-ЛЫ, 6 Ш1.

со

J

ю

1 1

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при контроле поверке и исследовании аналого-цифровых преобразователей, цифровых вольтметров, компараторов и пороговых элементов, и является усовершенствованием устройс -ва по авт.св. 851764.

Целью изобретения является повьше ние быстродействия и точности измерния второго начального момента инструментальной погрешности АЦП.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения ха- рактеристик случайной погрешности АЦП} на фиг. 2 - функциональная схема блока управления , на фиг. 3 - фун кциональная схема нелинейного элемента; на фиг. 4 - функциональная схема инвертирующего усилителя; на фиг. 5 и 6 - графики функциональных зависимостей.

Устройство содержит блок 1 цифровой уставки, образцовый преобразова- тель 2 код-напряжение, инвертирующий усилитель 3, нелинейный элемент 4,,

управляемый генератор 5 шума, блок 6 сравнения кодов, блок 7 сложения напряжения, коммутатор 8, аналоговьй компаратор 9, генератор 10 импульсов первый реверсипный счетчик 11, переключатель 12, второй реверсивный счетчик 13, делитель 14 частоты и блок 15 управления, аналого-цифровой преобразователь 16.

Блок 15 управления вьшолнен на первом и втором триггерах 17 и 18, первом и втором элементах И 19 и 20, трех элементах НЕ 21-23, первом и втором интеграторах 24 и 25.

Нелинейный элемент 4 выполнен на трех перемножителях 26-28 и сумматоре 29.

Инвертирующий усилитель 3 выполнен на коммутаторе 30 и дифференци- альном усилителе 31.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения характеристик случайных погрешностей АЦП дополнительно введен аналоговьй компаратор, первый вход которого соединен с выходом управляемого генератора шума, второй вход - с .общей шиной, а выход соединен с умножающими входами нелинейного элемента, ин- вертора и переключателя.

Введение аналогового компаратора и новых связей позволяет сформироват

вспомогательный случайный сигнал с более сложной функцией плотности распределения вероятности и применить алгоритм обработки знаковых функций, обладающий повышенной статистической точностью.

Действительно, если видоизменить характеристику преобразования нелинейного элемента следующим образом:

и

VA-lU l.sgn(U),

(1).

W(U)

то вспомогательный случайный сигнал будет иметь распределение

при

при

|и;

А

(2)

W(U)

При некотором усложнении характеристики преобразования инвертирующего усилителя

и:

и;, - A.sgn(U)

(3)

распределение вида (2) преобразуется

в

w(u:,)

; (А - |U-,I)/A2 при |и;,

1

I опри .

(4)

Графики функций распределения W() . и W(U) представлены на фиг. 5.

Используя вспомогательные случайные сигналы с распределениями (2) и (4) для формирования знаковых функций, получаем

4А

(,-U)J -jr S l sgnUJx

-A

хИ(Л) и

+A 2 m,(i3ti)1 f ,1

MCsgn(vuu,)

-Д

xsgn(J-W(/3,)dA, где W(Jn) - плотность распределения

Просуммировав эти выражения, находим

m,(ij -|-(MCsgnain-u;)( u)}.

3 1443174

Для получения информащш о втором также при обработке знаковой функ- начальном моменте находим математи- ции в соответствии с формулой (5) ческое ожидание произведения sgn(4|,- для получения значений ). Таким -иЙ sgn(UiJ), при этом отметим, что образом, введение аналогового компаратора для формирования сигнала sgn(U|) и введение новых связей аналогового компаратора с нелинейным элементом, инвертором и переключатеsgn(u;) sgnCU;)

м

.().sgn(ui)l w(a,)

Лп

-д

.j . ..

--f- sgn(U(Ii)dU -rfin C nV- 10 лем обеспечивают значительное повышение точности (при равных объемах выборки Q в основном и предлагаемом устройствах) или соответствующее сокращение времени измерения (при

15 равноточных измерениях).

Устройство работает следующим образом.

Перед запуском устройства необходимо занести в блок 1 цифровой устав20 ки код контролируемой точки диапазона контролируемого АЦП. При этом образцовый преобразователь код напряже- ние 2 должен воспроизвести напряже- , ние, соответствующее номинальной нице перехода между соответствующими смежными ступенями квантования . контролируемого АЦП. В исходном ccjp - тоянии генератор 10 импульсов блокирован и на управляющий вход управля30 емого генератора 5 шума, запускающий вход контролируемого АЦП и на вход делителя 14 частоты импульсы не поступают.

При подаче сигнала Пуск блок

-1),

откуда

m(A)()sgn(u;)+A2, (5)

Можно показать, что дисперсич оценок т,(/)„) и т(ц) получаемых на основе полученных новых выражений,

равны

, (d,) (4„)-СА;е-Tn,(j)

(6)

,(,(d,)l, (7)

А гае в -ij- dVsgn(4n)-W(dJd2l.

-А

Для тех же исходньпс данньк, что и для уравнений известного алгоритма, объемы выборки для получения разброса оценок не более t10%,получаем ,с 15 управления осуществляет сброс пер- из (6) Q 1140, а из (7) Q 7,1700.

35- .

вого реверсивного счетчика 11, предварительную установку второго реверсивного счетчика 13 в состояние, соответствующее хранению числа А сог- 4Q ласно выражению (5), и вццает сигнал, разрешающий работу генератора 10 импульсов. Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают на управляющий вход управляемого генератора

Незначительный проигрыш в оценке 1п,(л) с избытком компенсируется уменьшением почти в 8 раз объема выборки, необходимого для получения равноточной оценки го(Лп)«На фиг. 6, приведены зависимости известного алгоритма (кривая 1) и предлагаемого алгоритма (кривая 2), полученные .

вого реверсивного счетчика 11, предварительную установку второго реверсивного счетчика 13 в состояние, соответствующее хранению числа А сог- 4Q ласно выражению (5), и вццает сигнал, разрешающий работу генератора 10 импульсов. Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают на управляющий вход управляемого генератора

гательньй случайный сигнал U с равномерным законом распределения вероятности. Вспомогательньй случай- ньш сигнал и поступает на вход аналогового компаратора 9, который

для импульсного случайного сигнала, 5 шума, который вырабатывает вспомо- обладающего максимально возможным отношением дисперсии к размаху сигнала. Из графика видно, что предлагаемый алгоритм обладает существенно

лучшими точностными свойствами во gQ

всем диапазоне измерений, чем извест- формирует сигнал sgn(Uy), и на axo/i ный алгоритм.нелинейного элемента 4, формирующеДля реализации предлагаемого ново- го, согласно выражению (1)., вспомо- го алгоритма, обладающего повьш енной гательный случайный сигнал U с рас- статистической точностью, необходимо gg пределением (2). С выхода нелинейного элемента 4 сигнал U ц, поступает на первый вход коммутатора 8 и на

изменение вида функции распределения вспомогательного случайного сигнала , для чего требуется формирование сигнала sgn(U,), используемого

вход инвертирующего усилителя 3, преобразующего его, согласно выраже(6)

,с 15 управления осуществляет сброс пер-

35- .

вого реверсивного счетчика 11, предварительную установку второго реверсивного счетчика 13 в состояние, соответствующее хранению числа А сог- 4Q ласно выражению (5), и вццает сигнал, разрешающий работу генератора 10 импульсов. Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают на управляющий вход управляемого генератора

гательньй случайный сигнал U с равномерным законом распределения вероятности. Вспомогательньй случай- ньш сигнал и поступает на вход аналогового компаратора 9, который

шума, который вырабатывает вспомо-

вход инвертирующего усилителя 3, преобразующего его, согласно выраже5

нию (3), в сигнал U с распределением (4), который поступает на второй вход коммутатора В,

Импульсы с выхода генератора 10 импульсов поступают также на вход запуска контролируемого /ЩП 16 и на вход делителя 14 частоты, который |по второму выходу выдает подапе тьй на два по частоте выходкой сигнал ге нератора 14 импульсов н.а управляющий вход коммутатора 8 и на вход переключателя 12, Причем при подключении коммутатора 8 к первому входу блока 7 сложения напряжения сигнала U од- новременно по уп.равляюиг,ему входу ра решается прохождение сигналов через переключатель 12„ В момент Г1ол,клгоче - ПИЯ коммутатором 8 сигнала U ,, i; первому входу блока 7 сложения напряже-- ния запрещается прохождение сигналов через переключатель iZ.

В блоке 7 сложения напряжения производится сложение напряжений с да образдового преобразователя 2 код-напряжение и выхода коммутатора 8, сумма которых поступает на нхоп контролируемого АЦП 16 j которьп ;, з свою очередь, выдает соответст- ую- ший поданному напряжению код на ЕТО-- рой вход блока 6 сравнения кодов„ Блок 6 сравнения кодов формирует знаковую функцию sgni , j ; нрк поло-- жительном значения которой, кодируемом низким у1)овнем логического сигнала, содержимое первого реверсивног счетчика 11 увеличивается на ед.ини- цу, а при отрицательном значении., кодируемом высоким уровнем, уменыла- ется на-единиду. Для реализани операции умножения sgn( Д.,) 3gn(U,j) переключатель 12 выполняет функцию сложения по модулю два, при этом sgn(U;) кодируется аналогично функции sgn(.) , При нулевом коде произведения sgn( (,--11 ,;„ ) sgu(Ну) содержимое второго реверсивного счетчика 13 увеличивается на адииилу, а при единичном коде произведети-ш у лккшается на единицу,

После поступления на вход делите

ля 14 2-Д импульсов на его первом выходе появляется сигнал поступаюш;ий на вход блока 15 упра5;шения,, по ко-- торому последний блокирует генератор 10 импульсов,и процесс измерения за-- канчивается. При этом в первом реверсивном счетчи5 е 11 фиксируется код, пропорциональньй оценке мате-1746

матического ожидания пl,(л,), а во втором реверсивном счетчике 13 -код, пропорциональный оценке второго начального момента т(А) инструментальной погрешности. При выборе со- ответствую и,их соотношений между А и Q масштабирование полученных кодов может быть осуществлено простым переносом десятичной или двоичной запятой в зависимости от типа исполь- зуемых реверсивных счетчиков.

Особое внимание следует обратить на разработку делителя 14 частоты, так как при рациональном выборе схемы делителя 14 частоты открывается лополнительная возможность уменьше- 1ШЯ времени измерения, В известном устройстве для измерения ,) нрипн,ипиально необходимы сигналы и и и,а в предлагаемом достаточно только Ui5 поэтому, учитывая, что для измерения требуется значительно меньший объем выборки, можно сократить общий объем измерений. Для получения разброса оценок ) в известном устройстве необходимо выбрат Q 1 13000, т.е. общий объем измерени составляет 2 -Q 26000, хотя для измерения m.,(d) достаточно Q 130, т.е. 2-Q 260. В предлагаемом устройстве достаточно для измерения п1,-(д,,) выбрать Q 1700 и для изме- рег1ия m.(d,J Q /140, т.е. суммарный обьем измерений может составлять 700 + 140 1840 измерений. При это следует несколько изменить порядок управления первым реверсивным счетчиком 11 и формирование управляющего cvirnajia но второму выходу делителя 14 частоты. Здесь процесс измерений делится на два цикла: первый цикл состоит из 1560 измерений, а второй- из 280,. В первом цикле переключатель 12 открыт постоянным сигналом с второго выхода делителя 14 частоты, а коммутатор 8 тем же сигналом коммутирует на первьй вход блока 7 сложения напряжения сигнал U J с выхода нелинейного элемента 4, т.е. осуществляется измерение только /iCuj, По окончании первого цикла сигнал с второго выхода делителя 14 частоты меняет свой характер - становится иютульсным,как в известном устройстве,и начинается измерение П1,(л„ к одновременно продолжается измерение rv.n(i). Чтобы накопившийся в первом реверсивном счетчике 11 код не

исказил результат измерения, его необходимо сбросить. Для этого второй выход делителя 14 частоты соединен с третьим входом блока 15 управления тогда при изменении характера сигнала на втором выходе делителя 14 частоты (по фронту импульсного сигнала) блок 15 управления вырабатывает дополнительный сигнал сброса первого ре- версивного счетчика 11. Завершение процесса измерения осуществляется через 1840 измерений, а не через 3400, как в известном устройстве. Таким образом, достигается повышение быстродействия. То есть введение связи между вторым выходом делителя частоты и третьим входом блока управления позволяет повысить быстродействие устр ойства для измерения ха- рактеристик случайных погрешностей АЦП.

Формула изобретения

И, трех элементах НЕ и первом и втором интеграторах, входы которых соединены с выходами соответствующих первого и второго элементов НЕ, а выходы подключены к первым входам соответствующих элементов И, вторые входы которых объединены с входами

0

5

5

Q Q

.с

0

соответствующих первого и второго элементов НЕ и подключены к прямым выходам соответствующих первого и второго триггеров, прямой выход последнего из которых является первым выходом блока управления, вторым и третьим выходами которого являются соответственно выходы первого и второго элементов И, R-вход второго триггера является первым входом блока управления, третьим входом которого является вход третьего элемента НЕ, выход которого подключен к S-входу первого триггера, R-вход которого объединен с S-входом второго триггера и является вторым входом блока управления.

и третьем перемножителях, сумматоре и элементе с нелинейной характеристикой, выполненном на диоде, анод которого подключен к выходу сумматора, первый и второй входы которого соединены соответственно с вьрсодами первого и второго перемножителей, входы последнего из которых объединены с первым входом третьего перемножителя и подключены к катоду диода, первый вход первого перемножителя является информационным входом нелинейного элемента, выходом которого является выход третьего перемножителя, второй вход которого объединен с вторым входом первого перемножителя и является умножающим входом нелинейного элемента .

От 1( второй Вы)(од)

-ЛЛЛ.

23

Эапдск щп

-h ,11

|Ч I

aL I--J

«

-Л

525ПС2

Л1Ы

fJUJ-J ftU-ui

«4- А 55fft if-ui

ФиеЛ

и/(иш

2А

а

в1щ(А

л

1 г

JA Фыл.6