Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналогового преобразователя Советский патент 1992 года по МПК H03M1/10 

е

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение быстродействия устройства. Цель достигается за счет введения в устройство, содержащее блок 1 управления, регистры 2, 3, коммутатор 4, формирователь 5, цифроаналоговый преобразователь б, сумматор 7, ключ 8, интегратор 9, компараторы 10 и 11. генератор 12 напряжения, компаратор 13, формирователь 14 строб-импульса, элементы задержки 15 и 16, счетчики 17, 18, элемент И 19, компаратор 20 кодов, элемент 21 ЗАПРЕТ, триггеры 22, 23, измеритель 24 временных интервалов, двух дополнительных регистров 26 и 27, коммутатора 25 кодов, дополнительного элемента И 28, причем счетчик 18 выполнен с переменным -коэффициентом пересчета.1 ил.

О

ON О

ГО

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для применения в системах контроля динамических параметров ЦАП.

Известно устройство для измерения времени установления выходного сигнала ЦАП, содержащее первый и второй счетчики, первый и второй регистры, цифроанало- говый преобразователь, компаратор-кодов, два элемента задержки, элемент И, измери- тель временных интервалов, коммутатор, выходы которого являются выходной шиной, а вход управления соединен с первым выходом блока управления и входом запуска генератора линейно изменяющегося на- пряжения, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого через интегратор подключен к первому входу сумматора, второй вход которого является входной информационной шиной, а выход соединен с информационными входами ключа и первого и второго компараторов, вход стробирования первого компаратора объединен с одноименным входом второго компаратора, входом обну- ления генератора линейно изменяющегося напряжения,.первым входом первого .триггера и подключен к выходу формирователя строб-импульса, вход которого соединен с выходом третьего компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно генератора линейно изменяющегося напряжения и формирователя порогового напряжения, первый вход которого подключен к выходу элемента ЗА- ПРЕТ, первый вход которого соединен с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к третьему выходу блока управления, вход измерителя временных интервалов соединен с выходом первого триггера, второй вход которого объединен с входом запуска генератора пилообразного напряжения, первый и второй входы элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а выход подключен к счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами компаратора кода, вход обнуления соединен с выходом первого эле- мента задержки, первый вход которого объединен с первым входом второго триггера, входом обнуления второго счетчика и вторым входом формирователя порогового напряжения, третий вход которого объединен с вторым входом второго триггера и подключен к первому выходу компаратора кодов, второй выход которого соединен с вторым входом элемента ЗАПРЕТ, вторые информационные входы компаратора кодов являются входной шиной эталонного кода, а его вход управления объединен с вторым входом первого элемента задержки и подключен к выходу второго счетчика, счетный вход которого объединен с третьим входом элемента И и через второй .элемент задержки подключен к выходу формирователя строб- импульса, выход цифроаналогового преобразователя соединен с третьим входом сумматора, а его входы объединены с соответствующими первыми входами коммутатора и подключены к соответствующим выходам первого регистра, выходы второго регистра соединены с соответствующими вторыми входами коммутатора,

В известном устройстве строб-импульс сдвигается влево по временной оси через интервал Аи, затем вправо на At2 до совпадения с моментом окончания измеряемого времени установления.

Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие. Для повышения точности при наличии шума необходимо увеличивать число усреднений, т.е. число измерений при фиксированном положении строб-импульса. При этом число усреднений постоянно как при сдвиге строб-импульса влево (при грубой оценке времени установления), так и при сдвиге строб-импульса вправо (измерении с требуемой погрешностью дискретности). Таким образом, в известном устройстве время измерения велико из-за большой величины числа усреднений при сдвиге строб-импульса к началу переходного процесса.

Например, при измерении tycr в диапазоне 5-20 мкс при длительности одного измерительного такта Тт 40 мкс. Ati 0,5 мкс,А t2 0,05 мкс на нижнем пределе число циклов сдвига строб-импульса влево по временной оси

Ы уст.макс tycT-.мин 20 - 5 „,.

Максимальное число циклов сдвига строб-импульса вправо временной оси с дискретностью At2 при максимальном пересдвиге A ti

NU2 Ati/At2 0,5/0,05 10. Суммарное число циклов Nu ЫЦ1 н- Мц2 30 + 10 40.

Суммарное число тактов при числе усреднений в каждом цикле К 1000

Мт Мц-К 40-1000 4-1(Г.

Общее время измерения без учета цикла компенсации

1изм 1Мт-Тт 4-104-40-10 6 116с.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения времени установления выходного сигнала ЦАП, содержащее первый и второй счетчики, первый и второй регистры, цифроаналоговый преобразователь, компаратор кодов, два элемента задержки, элемент И, измеритель временных интервалов, коммутатор, выхо- ды которого являются выходной шиной, а вход управления соединен с первым выходом блока управления и входом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого через интегратор подключен к перврму входу сумматора, второй вход которого является входной информационной шиной, а выход соединен с информационными входами ключа и первого и второго компараторов, входстробирования первого компаратора объединен с одноимённым входов второго компаратора, входом обнуления генератора линейно изменяющегося напряжения, первым входом первого триггера и подключен к выходу формирователя строб-импульса, вход которого соединен с выходом третьего компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно генератора линейно изменяющегося напряжения и формирователя порогового напряжения, первый вход которого подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, первый вход которого соединен с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к третьему выходу блока управления, вход измерителя временных интервалов соединен с выходом первого триггера, второй вход которого объединен с входом запуска генератора пилообразного напряжения, первый и второй входы эле-, мента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а выход подключен к счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами компаратора кода, вход обнуления соединен с выходом первого элемента задержки, первый вход которого объединен с первым входом второго триггера, входом обнуления второго счетчика и

вторым входом формирователя порогового напряжения, третий вход которого объединен с вторым входом второго триггера и подключен к первому выходу компаратора

5 кодов, второй выход которого соединен с вторым входом элемента ЗАПРЕТ,.вторые информационные входы компаратора кодов являются входной шиной эталонного кода, а его вход управления объединен с

0 вторым входом первого элемента задержки и подключен к выходу второго счетчика, счетный вход которого объединен с третьим входом элемента И и через второй эле- мент задержки подключен к выходу

5 формирователя строб-импульса, выход цифроаналогового преобразователя соединен с третьим входом сумматора, а его входы объединены с соответствующими первыми входами коммутатора и подклю0 чены к соответствующим выходам первого регистра, выходы второго регистра соединены с соответствующими вторыми входами коммутатора, введены дополнительные элемент И. два регистра кодов и комму5 татор кодов, информационные входы которого соединены . с выходами дополнительных регистров, выходы подключены к входной шине эталонного кода, а вход управления объединен с первым вхо0 дом дополнительного элемента И и подключен к выходу второго триггера, второй вход дополнительного элемента И соединен с вторым выходом компаратора кодов, а выход - с входом управления измерителя вре5 менных интервалов, второй счетчик выполнен с переменным коэффициентом пересчета.

Сущность изобретения заключается в том, что при грубой оценке времени уста0 новления (сдвиг строб-импульса влево на

интервал Ati) число усреднений значитель. но меньше, чем при точном измерении tycr

(сдвигстроб-импульса вправо по временной

оси). Это позволяет значительно сократить

5 время на сдвиг строб-импульса к началу переходного процесса, сохранив точность, так как число усред.нений при сдвиге строб-импульса вправо может быть выбрано из заданной точности.

0 Цель обеспечивается путем изменения коэффициента пересчета счетчика, определяющего число усреднений, и -изменением кода, подключенного на .входную шину эталонного кода. При грубой оценке tyci число

5 усреднений может быть выбрано значительно меньше, чем это необходимо для требуемой точности измерения, а сокращение числа измерений повышает быстродействие устройства.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит блок 1 управления, регистры входных кодов ЦАП 2 и 3, коммутатор 4, формирователь 5 пороговых напряжений, ЦАП 6, сумматор 7, ключ 8, интегратор 9, стробируемые компараторы 10 и 11, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 12, третий компаратор 13, формирователь 14 строб-импульса, элементы 15 и 16 задержки, первый счетчик 17, второй счетчик 18с переменным коэффициентом пересчета, элемент И 19, компаратор 20 кодов, элемент ЗАПРЕТ 21, первый триггер 22, второй триггер 23, измеритель 24 временных интервалов, дополнительные коммутатор 25 кодов, регистры 26 и 27 кодов и элемент И 28, шину 29 эталонного кода, контролируемый ЦАП 30.

Первый выход блока 1 управления соединен с входом ГЛИН 12, управляющим входом коммутатора 4 и одним из входов первого триггера 22, второй выход блока 1 управления соединен с управляющим входом ключа 8. Третий выход блока 1 управления соединен с входами установки в исходное состояние второго счетчика 18, формирователя 5 пороговых напряжений, второго триггера 23 и через элемент 15 задержки - счетчика 17.

Выход сумматора соединен с информационными входами 10 и 11 компаратора и через ключ 8, интегратор 9 - со своим первым входом. Второй вход сумматора является входной шиной устройства для подключения контролируемого ЦАП. Входы стробирования компараторов 10 и 11 соединены с входом обнуления ГЛИН 12, одним из входов триггера 22 и выходом формирователя 14 строб-импульса. Выходы компараторов 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И 19, третий вход которого объединен со счетным входом второго счетчика 18 и через элемент 16 задержки соединен с выходом формирователя 14, вход которого соединен с выходом третьего компаратора 13, входы которого соединены с выходами ГЛИН 12 и формирователя 5 порогового напряжения. Один из входов формирователя 5 соединен с вторым входом второго триггера 23 и первым выходом компаратора 20 кодов, а другой вход формирователя 5 - через элемент ЗАПРЕТсоединен с вторым выходом компаратора 20. Выход элемента И 19 соединен со счетным входом счетчика 17. Выход счетчика 18 соединен с входом управления компаратора 20 кодов и через элемент 15 задержки - с входом установки счетчика 17, выход которого соединен с первыми входами компаратора 20 кодов, вторые входы которого являются шиной 29 эталонного кода. Выход триггера 23 соединен с управляющим входом элемента ЗАПРЕТ 21.

Выходы регистра 3 соединены с одними из входов коммутатора 4, вторые входы которого объединены с входами ЦАП 6 и подключены к выходам регистра 2. Выход ЦАП 6 соединен с третьим входом сумма0 тора 7.

Входы дополнительного коммутатора

25кодов соединены с выходами регистров

26и 27, а выходы подключены к шине 29 эталонного кода. Управляющий вход комму5 татора 25 соединен с первым входом дополнительного элемента И 28, входом управления коэффициентом пересчета второго счетчика 18 и выходом триггера 23. Второй вход элемента И 28 соединен с

0 вторым выходом компаратора 20 кодов, а выход - с входом управления измерителя 24.

Устройство работает следующим образом.

5Контролируемый ЦАП 30 подключается

в контактирующее устройство, к контактам которого подключаются входная и выходная шины устройства, а также источники питания, балансировки, коррекции и т.д. (на фиг.

0 не указаны, так как эти элементы определяются типом контролируемого ЦАП). Блок 1 управления идентичен известному блоку управления. Коротким импульсом с третьего выхода блока 1 устанавливаются в исходное

5 состояние счетчики 17 и 18, триггер 23 и формирователь 5 пороговых напряжений. При измерении tyci для кодов N1 код NI заносится в регистр 3, а код N2 в регистр 2. В исходном состоянии (при отсутствии

0 импульсов на первом выходе блока 1 управления) в такте балансировки через коммута- тор 4 к контролируемому ЦАП 30 подключается код N2 регистра 2. Код № поступает также на вход ЦАП 6, на выходе

5 которого,устанавливается сигнал (ток или напряжение), противоположный по знаку сигналу ЦАП 30 и примерно равный по величине (с точностью, обусловленной статической погрешностью ЦАП 6 и 30). При

0 контроле умножающих ЦАП это наиболее просто реализовать путем использования противоположных по знаку опорных напряжений для ЦАП 30 и 6. Опорное напряжение может быть и общим для обоих ЦАП, но ЦАП

5 6 должен содержать дополнительный инвертор выходного сигнала.

Таким образом, независимо от кода N2 установившийся сигнал ЦАП 30 примерно скомпенсирован сигналом ЦАП 6. Остаточный сигнал, обусловленный статической погрешностью ЦАП и напряжением (током) смещения сумматора 7, компенсируется с помощью интегратора 3, включаемого в цепь обратной связи сумматора 7 при замкнутом ключе 8 сигналом с второго выхода блока 1 управления. Выходной сигнал сумматора 7 равен нулю при любом коде N2 что позволяет формировать пороговые уровни компараторов 10 и 11 относитель но нулевого уровня, усилить и ограничить выделенный переходной процесс сигнала ЦАП6.

Длительность такта балансировки определяется постоянной времени интегратора 9, которая, в свою очередь, зависит от емко- сти конденсатора,запоминающего компен- сирующее напряжение. Сокращение измерительного такта за счет дополнитель- ных,элементов позволяет уменьшить влияние погрешности разряда конденсатора интегратора 9, уменьшить постоянную мени интегратора 9, сократить такт коррекции и повысить общее быстродействие устройства.

В измерительном такте ключ 8 сигналом с второго выхода блока 1 переводится в ра зомкнутое состояние, а на первом выходе блока 1 формируются импульсы заданной длительности и частоты повторения, подключающие исходный код NI регистра 3 че- рез коммутатор 4 к ЦАП 30.

В момент окончания импульса происходит смена кодов NI - N2, на выходе ЦАП 30 формируется контролируемый переходный процесс. В этот момент времени переклю- чается триггер 22 и запускается ГЛИН 12, выходное напряжение которого компаратором 13 сравнивается с пороговым напряжением формирователя 5. В исходном состоянии это напряжение максимально, так что компаратор 13 переключается и формирователь 14 формирует строб-импульс с максимальной задержкой относительно начала переходного процесса. Величина первоначальной задержки Т3 макс выбирается равной максимальному значению измеряемого времени установления. На опорные входы компараторов 10 и 11 подключены напряжения, формирующие зону установления, например, равные ±0,5 значения младшего разряда ЦАП 30. Так как переходной процесс в момент стробирования заведомо закончен, компараторы 10 и; 11 фиксируются в состоянии 1. Строб-им пульс через элемент 16 задержки и эле- мент И 19 поступает на счетный вход счетчика 17.

При выходном сигнале О на выходе триггера 23 к шине 29 эталонного кода через

коммутатор 25 подключен код N3ri дополнительного регистра 26, а коэффициент пересчета счетчика 18 равен щ. Счетчик 18 заполняется строб-импульсами и после выполнения щ измерений при задержке строб-импульса Т3 макс импульс переполнения счетчика 18 поступает на управляющий вход компаратора 20 кодов. Эталонный код N3rl может быть выбран равным 0,5 nt, код счетчика.17 будет больше NSTI, так как вероятность фиксации компараторов 10 и 11 в единичном состоянии больше 0,5. Поэтому компаратор 20 кодов формирует импульс на втором выходе Больше, который через элемент ЗАПРЕТ 21 поступает на первый вход формирователя 5 и вызывает уменьшение порогового напряжения на величину AUi.

Начинается второй цикл измерения, содержащий п 1 тактов (усреднений) при задержке, равной

I з макс

-Ati,где An AUrS; .

S-крутизна ГЛИН 12.

После циклов, в каждом из которых строб-импульс сдвигается влево по временной оси на интервал Дц, время задержки Тз1 становится меньше измеряемого времени установления

I

t31 Т3 макс - (Ny1 - 1) A t1 tycr,

выходной сигнал ЦАП 30 в момент стробирования находится вне зоны установления. Один из компараторов с вероятностью больше, чем 0,5, фиксируется в состоянии О, и код счетчика 17 будет меньше кода N3ri. После щ тактов в цикле под номером Nut компаратор 20 кодов формирует импульс на первом выходе Меньше, который поступает на третий вход формирователя 5, увеличивая пороговое напряжение на величину AlJ2 А 1Н, и вызывает сдвиг стрЬб-им- пульса вправо по временной оси на величину AUs S.

Кроме того, триггер 23 переключается в единичное состояние импульсом с выхода Меньше компаратора 20. При этом коэффициент пересчета счетчика изменяется до величины П2 т, а через коммутатор 25 к шине эталонного кода 29 подключается код 0,5 П2. Дальнейшее измерение происходит при сдвиге строб-импульса к окончанию переходного процесса с дискретностью At2 А ц, что позволяет уточнить результаты измерения. Число тактов измерения (усреднений) в каждом цикле

сдвига вправо по временной оси П2 выбирается, исходя из требуемой точности при наличии шума, что особенно важно при контроле 14-18 разрядных ЦАП.

Сдвиг строб-импульса вправо по временной оси продолжается МЦ2 циклов до тех пор, пока время задержки снова не превысит Туст

T,32 t3l-+NulAt2

Т3 макс - (МЦ1 - 1)At1 + МЦ2Д t2 tycr.

Оба компаратора фиксируются в состояние 1 с вероятностью большей, чем 0,5. Код счетчика 17 после П2 усреднений становится больше, чем ЫЭт2. Компаратор 20 формирует импульс на выходе Больше, но пороговый уровень формирователя 5 не изменяется, так как сигнал 1 триггера 23 запрещает прохождение импульса через элемент ЗАПРЕТ 21. Положение строб-импульса на временной оси в дальнейшем не изменяется, а на выходе триггера 22 периодически формируются импульсы, длительность которых с погрешностью дискретности At2 равна tyct. Измеритель 24 может быть выполнен усредняющего типа.

Введение в устройство дополнительного элемента И 28 позволяет также повысить быстродействие за счет получения информации об остановке -строб-импульса. Когда строб-импульс сдвинут на время ts2 появление импульсов на выходе элемента И 28, проходящих с выхода Больше компарато ра 20 кодов, несет информацию об окончании процесса сдвига. При этом возможно однократное измерение измерителем 24 интервала Туст. Измеритель 24 при этом должен измерять каждый интервал (а не усреднять большое число интервалов tyci). Число усреднений щ при грубой оценке (сдвиге влево на интервал Ati) может быть достаточно малым, что позволяет уменьшить число измерений и повысить быстродействие.

При величине шума, соизмеримой с шириной зоны установления, число усреднений гм нельзя выбирать очень малым. Например, при п 1-2, возможна фиксация одного из компараторов в состоянии О даже при нахождении сигнала ЦАП в зоне установления, из-за однократной импульсной помехи, что приводит к завышению результата измерения. Потому число m должно быть не менее 10-20.

П р и м е р 1. При измерении времени установления tycr в диапазоне Хуст.мин 5 мкс, tycT-макс 20 мкс длительность одного измерительного такта (период поступления импульсов с первого выхода блока 1 управления) Тт равна 40 мкс. Счетчик 18 имеет коэффициенты пересчета щ 100 и

П2 1000, а в регистры 26 и 27 занесены коды Ыэт1 50 и МЭт2 500 соответственно. Пусть интервалы сдвига строб-импульса Ati 500 не, А т.2 50 не. На нижнем пределе измерения tycr 5 мкс число циклов сдвига

строб-импульса влево

м Туст.макс Туст.мин 20 - 5 0

Nu1 At/-0 5- -зо.

Учитывая, что число усреднений в каждом цикле равно ni 100, общее число тактов измерения

Мт1 пгМц1 30,-100 3000, а время сдвига влево

Т1 Тт-МТ1 40мксЗООО 120мс.

Максимальное число циклов при сдвиге строб-импульса вправо

NU2 Ati /At2 0,5/0,05 10.

Число тактов сдвига вправо при усреднении П2 1000

Мт2 П2-Мц2 1000-10 104.

Время сдвига вправо

Т2 Тт NT2 40макс 104 400 МС.

Общее время измерения

Т.ИЗМ Ti +.T2 120 мс + 400 мс 520 мс.

Таким образо,м, время измерения сокращается в 3 раза. .

П р и м е р 2. Если выбрать щ 100, а П2 3700, ЫЭт1 50, МЭт2 1850, то Ti так и в примере 1 равно 0,12 с, а

50

Т2 ТТ-МТ2-П2 40 мкс .. 1,48 С.

Время измерения т.изм Ti + Т2 0,12 + + 1,48 1;6 с равно времени измерения прототипа, но точность устройства выше, так как число .усреднений П2 больше, чем число усреднений в прототипе. Составляющая погрешности, обусловленная влиянием шумов, уменьшается примерно, в 2 раза , при сохранении быстродействия, так как эф- фективность усреднения пропорциональна

VnsT, где П2 - число усреднений, а число усреднений при сдвиге вправо увеличено в 4 раза при сохранении быстродействия.

Формула изобретения Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроа- налогового преобразователя по авт. св. № 1432776, отличаю щееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены дополнительный элемент И, два дополнительных регистра кодов и коммутатор кодов, второй счетчик выполнен с переменным коэффициентом пересчета, первые и вторые информационные входы

0

5

коммутатора кодов соединены с соответствующими выходами соответственно первого и второго дополнительных регистров, выходы подключены к входной шине эталонного кода, а вход управления объединен с первым входом дополнительного элемента И и подключен к выходу второго триггера, второй вход дополнительного элемента И соединен с вторым выходом компа- ратора кодов, а выход - с входом управления измерителя временных интервалов, причем вход управления коэффициентом пересчета второго счетчика соединен с выходом второго триггера.