Устройство контроля аналого-цифровых преобразователей Советский патент 1992 года по МПК H03M1/10 

I. .

Изобретение относится к радиотехнике

и может быть использовано в устройствах

автоматического контроля и измерения пргрешностей аналого-цифровых преобразо, вателей (АЦП).

Целью изобретения является увеличение точности измерения нелинейности АЦП с монотонной характеристикой преобразования.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема блока управления.

Устройство содержит генератор 1 шума, генератор 2 гармонического сигнала, аналоговый сумматор 3, проверяемый АЦП 4, накопитель 5, блок 6 быстрого преобразования Фурье, вычислитель 7, индикатор 8, блок 9 управления.

Вычислитель 7 выполнен на делителе 10, оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) 11, умножителе 12, сумматоре 13,

блоке 14 задержки, вычитателе 15, компара- .торах 16 и 17, элементе И 18, блоке 19 ключей, блоке 20 задержки, сумматоре 21, делителе 22, вычитателях 23-25, делителе 26, умножителе 27, счетчиках 28-30, сумматорах 31 и 32, постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 33.

Блок 9 управления выполнен на генераторе 34 тактовых импульсов, счетчиках 35 и 36, одновибраторе 37, ПЗУ 38, тумблере 39.

Работает устройство следующим образом.

После подключения проверяемого АЦП к устройству происходит начальная установка генератора 2 гармонического сигнала сигналом из блока 9 управления. Тестовый сигнал формируется путем сложения в аналоговом сумматоре 3 выходных сигналов ге- нератора 1 шума и генератора 2 гармонического сигнала. Суммарный сигнал представляет собой гармонический сигнал S(t) cos a) tc с максимальной для проверяWю

:Х|

емого АЦП амплитудой, принимаемой за единицу, с добавлением раскачивающего шума с амплитудой, равной половине интервала квантования (половине младшего значащего разряда АЦП 4).

После аналого-цифрового преобразования суммарного тестового сигнала выходной сигнал АЦП 4 поступает на вход накопителя 5. Время накопления в накопителе 5 задается сигналом из блока 9. Синхронная с генератором 2 работа накопителя 5 обеспечивается с помощью сигнала (выход V) из блока 9 управления. При усреднении выходного сигнала АЦП 4 в накопителе 5 шумы квантования ослабляются, а помехи нелинейности остаются без изменения.

Сигнал с выхода накопителя 5 поступает на вход блока 6, в котором цифровые йтсчеты тестового сигнала преобразуются в спектральную область. Время обработки Тобр-в блоке-6 определяется сигналом из блока 9 управления. Спектр сигнала на выходе блока 6 содержит кроме основной составляющей тестового гармонического сигнала его гармоники, несущие информацию с нелинейности АЦП 4.

Цифровой спектр сигнала поступает на оход вычислителя 7 погрешности. При этом на второй вход вычислителя 7 поступают тактовые импульсы, а, на третий вход - управляющий сигнал из блока 9 управления. С выхода вычислителя 7 погрешности на вход индикатора 8 прступэют значения интегральной 6( и дифференциальной 6ю нели- нейностей, а также значение веса W; i-ro уровня квантования проверяемого АЦП (выходной код АЦП), для которого вычислялось значение нелинейности.

Для описания алгоритма работы вычислителя 7 погрешности достаточно представить реальный АЦП в виде последовательного соединения безынерционного нелинейного элемента (БНЭ) и идеального АЦП (АЦП с нулевой погрешностью).

При прохождении гармонического сигнала через БНЭ возникают гармонические составляющие, которые однозначно связаны с характеристикой преобразования БНЭ. Сигнал с выхода БНЭ подается на идеальный АЦП (АЦП без погрешности), который вносит шумы квантования. Аналитическисвязьхарактеристикипреобразования БНЭ F(S) при гармоническом входном сигнале со спектром выходного сигнала можно записать в виде

F(S)-N2enTn(S)((1)

п о

где S - входной сигнал АЦП (S cos u)t);

an - спектральные отсчеты выходного сигнала (гармоники входного сигнала);

Tn (S) - полином Чебышева порядка п; N-число уровней квантования.

Зная выходное значение кода АЦП для 1-го интервала квантования, можно путем последовательного перебора значений Si из

интервала Wi ±(бL + ) +- с шагом (5(Wi - вес i-го интервала квантования; д i - максимальная интегральная нелинейность АЦП; Д - величина младшего

значащего разряда АЦП; 3 ш -максимальная дифференциальная нелинейность АЦП) и сравнения вычисленного по формуле (2)

20

+ 2

где No - количество отсчетов на один период гармонического сигнала;

m - разрядность АЦП, значения f(Si) с

известным значением f(St) для границ 1-го интервала квантования идеального АЦП определить действительные величины границ интервалов квантования, а зная их, - величину интегральной и дифференциальной нелинейностей 1-го интервала квантования проверяемого АЦП.

Спектральные составляющие ап усредненного сигнала с выхода блока 6 записываются в ОЗУ 11. При этом на адресный вход

ОЗУ из счетчика 28 поступают коды адресов спектральных составляющих в ОЗУ. С выхода блока 9 управления на вход счетчика 28 поступают тактовые импульсы. На управляющий вход ОЗУ 11 из блока 9 управления

поступает сигнал Запись.

После записи N+ спектральных составляющих (N 2nvK) вычислитель 7 погрешности сигналом с выхода блока 9 управления переводится в режим вычисления нелинейности. Формирование значений Si осуществляется следующим образом.

На выходе счетчика 29 формируется последовательность кодов, соответствующая числам в интервале (-К/2, К/2), где К - коэффициент делений счетчика 29. Сигнал с выхода счетчика 29 поступает на нормирующий умножитель 27, который осуществляет умножение входных чисел на ве2

личину :Ј (5i; + д ш/2 ) .На выходе

нормирующего умножителя 27 получают последовательность чисел (5) из интервала { - ( д ш /2 4- dt), (д ш /2 + д ) }с шагом

(2с5 )/К. Число К выбирается из условия (2с5| + б LD )/К он , где он - тре- буемая погрешность измерения нелинейности проверяемого АЦП. С выхода умножителя 27 последовательность чисел поступает на один вход сумматора 32, на другой вход которого подается код измеряемого уровня квантования АЦП, сформированный в счетчике 30 и сложенный в сумматоре 31 с величиной (1/2) Л( Д- ширина интервала квантования АЦП). Величина (1/2) Д постоянно подается на второй вход сумматора 31. Коды на выходе АЦП находятся в интервале 11...12. Коэффициент деления со счетчика 30 равен числу выходных уровней проверяемого АЦП.

Таким образом, на выходе сумматора 32 формируется величина в вида Si Wi+ (5{ + 1/2Д . (3)

Далее в вычислителе 7 погрешности формируется для сравнения с выходным кодом АЦП значение f(Si), определяемое по формуле (1). При этом из ПЗУ 33 считываются значения Тп (Si).

. (

.Ыпри N, 0}. .. -.

, 2Т0(5;)-(12НО

. Т°(51 U2-L4, .-Q,

где TN(SI) - полином Чебышева, NI 0,1.

Такая нормировка полиномов эквивалентна приведению выходного сигнала АЦП 4 в диапазон-1...1.

На первый адресный вход ПЗУ 33 последовательно поступают Nc 2m+1 номеров спектральных составляющих с разрядностью т+1 со счетчика 28, который имеет коэффициент счета 2m+1, т.е. на адресный вход ПЗУ 33 подается код

КВЗУ - 2m+1- SH-Ni,

N

где NI - номер спектральной составляющей со счетчика 28.

Величины спектральных составляющих ап поступают на первый вход умножителя 12, а на второй вход - значения Тп (Si). При этом на адресный вход ОЗУ 11 поступают коды адресов из счетчика 28 (Кдел 2 ), а на управляющий вход - сигнал Чтение из блока 9 управления. Полученное произведение an Tn (Si) поступает на первый вход сумматора 13, на второй вход которого поступает из блока 14 задержки ранее вычисленная сумма при первом суммировании для каждого значения Si, из блока 14 на

S

сумматор 13 поступает ноль, для обнуления на второй вход блока 14 задержки поступает сигнал переноса при .переходе в нулевое состояние счетчика 28. Далее в вычитателе 15 из суммы

an Тп ( Si ) вычитается величина W|f

0

+ -п Д , которая подается на второй вход

-., rt

вычитзтеля с выхода сумматора 31. Полученная величина одновременно поступает на первый и второй компараторы 17 и 16, где сравнивается с величинами оь и -он соответстзенно. При этом, если входной код компаратора 17 меньше величины оп , на .его выходе формируется логическая Г. Если входной код компаратора 16 превышает значение -оь , то на его выходе формируется логическая 1.

Сигнал с выходов компараторов через элемент И поступает на второй вход блока 20 задержки и на управляющий вход блока

19ключей, на информационный вход кото- РОГО поступает значение Si Wi +, 1 /2 Д -f 3|.

Сигнал на выходе блока 19 представляет собой величину входного сигнала АЦП, которому соответствует верхняя гра ница измеряемого 1-го интервала квантования. Вы- ходной сигнал блока 19 поступает на блок

20задержки, время задержки которого равно времени, необходимому для вычисления следующего значения Si. На выходе сумматора 21 получают величину, равную SH-I + Si,

а на выходе вычитателя 24 - величину, равную Si+i - S/. Далее с помощью делителя 22 на два, вычитателя 23, на второй вход которого подается код Wi, и второго делителя 26 на даа формируется величина интегральной

нелинейности дц , она подается на индикатор 8, при этом

3t,

Si + S + 1

-Wi, (4)

45

Вычитая из выходного сигнала вычитателя 24 величину ( Дв вычитателе 25 и подавая разностный сигнал на третий делитель 10 на два, получают величину относи- тельной дифференциальной нелинейности 1-го интервала квантования АЦП в соответствии с выражением

55

о LD/} S +1 - Si - Д . (5)

Значение б из А подается на индикатор 8.

Одновременно с выхода счетчика 30 (Кдел 2т) на индикатор 8 поступает величина Wi - вес 1-го уровня квантования проверяемого АЦП. Далее цикл повторяется для всех последующих кодов счетчика 30, соответствующих выходным кодам проверяемого АЦП.

Работа предлагаемого устройства основана на эквивалентности представлений измеряемого АЦП в виде последовательного соединения БНЭ и АЦП без погрешностей. Характеристика БНЭ при гармоническом входном сигнале с частотой

fc-2- m a).fg. (6)

где fg - частота взятия выборок из тестового

сигнала,

.может быть определена по спектру сигнала

на выходе АЦП (по формуле 1).

Для измерения нелинейности вычисляют истинные значения границ интервалов квантования из выражения

F(St) -S anTn(s) Si, (7)

где Sf - значение 1-й границы интервала квантования в АЦП без погрешностей;

Si - действительное значение границы 1-го интервала квантования.

Точность измерения нелинейности АЦП в устройстве-прототипе определяется выражением

,(8)

где а- среднеквадратическая погрешность измерения;

di - интегральная нелинейность эталонного АЦП,. ..

В предлагаемом устройстве точность измерения определяется точностью аппроксимации БНЭ в эквивалентной схеме измеряемого АЦП. Точность аппроксимации равна сумме неучитываемых гармонических составляющих. При работе устройства к таким неучитываемым составляющим относятся гармоники входного для измеряемого АЦП синусоидального сигнала. Среднеквадратическая погрешность заявляемого устройства

б

(9)

d6

JttfVn

2

(10V

Поскольку Ч

k

h

(11)

где Кг -- коэффициент нелинейных искажений синусоидального сигнала; Зп - амплитуда n-й гармоники гармонического колебания,

а амплитуду сигнала на входе АЦП принимают за единицу, то

15

(12)

Коэффициент гармоник генератора 2 может быть найден как

Кг -

1

Т

,(13):

где Кф - коэффициент затухания фильтра;

PC мощность синусоидального сигнала единичной амплитуды (Рс 1/2);

Рш - мощность шумов квантования и помех нелинейности на выходе ЦАП.

3 -2

2т

+ 4д1 , (14)

где т - число двоичных разрядов ЦАП;

5| - интегральная нелинейность ЦАП.

С учетом выражений (14), (13) (12) получают

а

1 Кф

г-/

5

0

5

Работает блок 9 управления следующим образом.

После подключения измеряемого АЦП к устройству производится однократное замыкание тумблера 39, с выхода которого логическая 1 поступает на входы установки первого и второго счетчиков 35 и 36 и на выход блока. Сигнал с первого выхода счетчика 36 в качестве адреса поступает на адресный вход ПЗУ 38, в ячейке.соответствующей этому адресу, содержится коэффициент деления, необходимый для получения требуемого интервала накопления. После того как на вход счетчика 35 поступит К + 1 (К - коэффициент деления из ПЗУ) импульс счетчик 36 увеличивает свое содержимое на единицу и на первом выходе счетчика 36 появляется логический 0й, а на втором выходе - логическая 1.

Сигнал с второго выхода счетчика 36 поступает на адресный вход ПЗУ 38 для считывания нового коэффициента деления счетчика. 35. Блок управления вырабатывает на вы- ходах три интервала различной длительности. После формирования третьего интервала сигнал с четвертого выхода счетчика 36 запрещает работу первого счетчика 35 и работа блока 9 управления возобновля- ется после переключения тумблера 39. Сигнал с выхода блока 9 используется для ycfaHOBKH генератора 2 гармонического сигнала, сигнал с выхода одновибратора используется для сброса накопителя 5. .

Формула изобретен и я 1. Устройство контроля аналого-цифровых преобразователей, содержащее генератор гармонического -.сигнала/ последовательно соединенные накопитель и блок быстрого преобразования Фурье, блок управления, первый аыход которого соединен с входом установки генератора гармонического сигнала, второй выход - с управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, а третий выход - с первым управляющим входом накопителя, блок индикации, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности измерения нелинейности преобразователя, в него введены генератор шума, аналоговый сумматор и вычислитель, выполненный на оперативном запоминающем устройстве, двух умножителях, четы- рех сумматорах, двух блоках задержки, четырех вычитателях, двух .компараторах, трех счетчиках, постоянном запоминающем устройстве, трех делителях, блоке ключей и элементе И, первый и второй входы которо- го соединены соответственно с выходами первого и второго компараторов, а выход - с управляющими входами блока ключей и первого блока задержки, информационные входы которого объединены с соотвётству- ющими первыми информационными входами первого сумматора и первого вычитателя и подключены к соответствующим выходам блока ключей.а выходы - к соответствующим вторым информационным входам пе- рвого сумматора и первого вычитателя, выходы которого через второй вычитатель и первый делитель соединены с соответствующими первыми информационными входами блока индикации, вторые информационные входы которого через второй делитель соединены с соответствующими выходами третьего вычитателя, первые информационные входы которого через третий делитель соединены с соответствующими выходами первого сумматора, а вторые информационные входы объединены с соответствующими третьими информационны- ми входами блока индикации и соответствующими первыми информационными входами второго сумматора и подключены к соответствующим выходам первого счетчика, сметный вход которого соединен с выходом старшего разряда второго счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами первого умножителя, а счетный вход - с шходом старшего разряда третьего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими адресными входами оперативного запоминающего устройства и постоянного запоминающего устройства, выход переноса соединен с управляющим входом второго блока задержки, а счетный вход - с четвертым выходом блока управления, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с вторым управляющим входом накопителя и входом Запись-считывание оперативного запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами блока быстрого преобразования Фурье, а выходы - с первыми информационными входами второго умножителя, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами постоянного запоминающего устройства, а выходы - с соответствующими первыми информационными входами третьего сумматора, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами второго блока задержки, а выходы - с соответствующими информационными входами второго блока задержки и первыми информационными входами четвертого вычитателя, вторые информационные входы которого объединены с соответствующими первыми информационными входами четвертого сумматора и подключены к соответствующим выходам второго сумматора, а выходы соединены с соответствующими первыми информационными входами первого и второго компараторов, вторые информационные входы которых, а также вторые информационные входы второго вычитателя, первого умножителя и второго сумматора являются соответствующими шинами заданных кодов, выходы первого умножителя соединены с соответствующими вторыми информационными входами четвертого сумматора, выходыкоторого соединены с соответствующими информационными входами постоянного запоминающего устройства и блока ключей, выход генератора

гармонического сигнала соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого соединен с генератором шума, а выход является выходной шиной устройства, входной шиной которого являются информационные входы накопителя.

2. Устройство поп,1,отличающее- с я тем, что блок управления выполнен на генераторе тактовых импульсов, одновиб- раторе, постоянном запоминающим устройстве, двух счетчиках и тумблере, выход которого является первым выходом блока и соединен с входами синхронизации перво- гоч-1 второго счетчиков, счетный вход перво0

го из которых соединен с выходом генератора тактовых импульсов и является четвертым выходом блока, входы предустановки соединены с соответствующими выходами постоянного запоминающего устройства, адресные входы которого соединены с соответствующими выходами второго счетчика и являются соответственно третьим, вторым и шестым выходами блока, пятым выходом которого является выход одновибратора, вход которого соединен с выходом младшего разряда второго счетчика, выход старшего разряда которого соединен с входом Запрет счета первого счетчика.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах автоматического измерения и контроля нелинейности аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Цель изобретения - поаыие- ние точности измерения нелинейности АЦП. Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 шума, сумматор 3, проверяемый АЦП 4, накопитель 5, блок 6 быстрого1 преобразования Фурье, вычислитель 7 погрешности, индикатор 8. В качестве тестового сигнала используется сумма гармонического сигнала и шума. С помощью блока быстрого преобразования Фурье вычисляется спектр выходного сигнала проверяемого АЦП. Полученный спектр используется в вычислителе погрешности для формирования значений нелинейности для соответствующего значения выходного кода АЦП. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

I