Устройство контроля цифроаналоговых преобразователей Советский патент 1992 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных циф- роаналоговых преобразователей (ЦАП).

Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с.автокоррекцией (см. Хлюстов ГА и Берглезов С.М. Структурный метод повышения точности цифроаналогового преобразователя. Сб. Полупроводниковая электроника в технике связи под ред. И.Ф.Николаевского, вып. 27, М.: Радио и связь, 1988, с, 187, рис. 4), содержащий п номинальных источников (НИ), п номинальных корректирующих источников (НКИ), п запоминающих устройств, устройство управления, входной регистр, операционный усилитель с цепями подключения,

Недостатком известного устройства является его высокая структурная и алгоритмическая сложность, связанная с реализацией алгоритма поразрядного уравновешивания.

Известно устройство для измерения нелинейности цифроаналоговых преобразователей (см. авт. св. СССР № 731584, кл. Н 03 К 13/34), содержащее генератор импульсов, счетчик, опорный ЦАП, блок регулировки опорного ЦАП по крутизне, дифференциальный усилитель и нуль-орган, ключ, пиковые детекторы, инвертор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, контролируемый ЦАП и клеммы подключения контролируемого ЦАП.

Алгоритм определения нелинейности ЦАП известного устройства использует следующее свойство: для ЦАП двоичного кода вследствие действия погрешностей отдельных эталонных резисторов реальная характеристика симметрична относительно точки Нмакс/2, расположенной на идеальной характеристике, которая представляет собой прямую линию. А прямая линия, линеаризирующая реальную характеристику наилучшим образом, проходит через ее центр симметрии.

Известное устройство обладает ограниченной точностью из-за наличия погрешности за счет высокого уровня синфазных сигналов на входе дифференциального усилителя.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения нелинейности ЦАП (см. авт. св. СССР № 1455389, кл. Н 03 М 1/10). представляющее собой по существу самоповеряемый ЦАП и содержащий основной и вспомогательный токовые цифроаналоговые преобразователи, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, а

входы через переключатели подключены к входам преобразователей ток - напряжение, выходы которых подключены к входам вольтметра.

Недостатком известного устройства - прототипа является его недостаточная надежность, связанная с наличием большого количества переключателей, реализующих алгоритм измерения погрешности интег0 ральной линейности.

Целью изобретения является повышение надежности устройства путем сокращения числа элементов коммутации аналогового сигнала.

5- На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, два преобразователя ток - напряжение, выполненные

0 соответственно на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи (резисторах) 4 и 5, два аналоговых переключателя б и 7, вольтметр 8, отсчет- но-регистрирующее устройство 9, блок уп5 равления 10, вспомогательный ЦАП 11, две входные шины 12 устройство и три выходные шины 13 - 15.

При подключении контролируемого ЦАП его аналоговый вход объединяется с

0 аналоговым входом вспомогательного ЦАП 11, одновременно подключается к выходу источника 1 опорного напряжения и является второй выходной шиной 14 устройства, а первая выходная шина является цифровым

5 входом контролируемого ЦАП и первым информационным выходом блока 10 управления. Вторые информационные выходы блока 10 управления подключены к цифровому входу вспомогательного ЦАП.

0 Первая входная шина 12 подключена к первому аналоговому выходу контролируемого преобразователя и к подвижному контакту первого аналогового переключателя 6. Первые неподвижные контакты аналоговых

5 переключателей б и 7 соединены с общей шиной, вторые неподвижные контакты переключателей 6 и 7 подсоединены к входам преобразователей тока в напряжение (контакт первого переключателя - к входу второ0 го преобразователя тока в напряжение, и наоборот), причем управляющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 подключены дополнительной шиной к выходам блока 10 управления.

5 Третий выход 15 устройства является выходом первого преобразователя ток - напряжение и подключен к первому аналоговому входу цифрового вольтметра 8, второй аналоговый вход которого соединен с выходом второго преобразователя тока в напряжение, а цифровой выход вольтметра 8 соединен с входом отсчетно-регистрирующего устройства 9.

Устройство контроля ЦАП работает следующим образом и реализует следующий алгоритм измерения.

В начальный момент времени с блока 10 управления на управляющие входы вспомогательного ЦАП 11 и контролируемого ЦАП поступают нулевые значения кодов: ...0 и ...О, а на управляющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 - сигналы, устанавливающие на вторых выходах ЦАП нулевой потенциал общей шины. При этом на входы цифрового вольтметра 8 по- ступает напряжение

Ui(00...0)UcMi и 1)2(00...0)исм2, где LH(00...0)- выходной сигнал, преобразованный в напряжение контролируемого ЦАП при сигнале на его цифровом входе ...0;

1)2(00...0)- выходной сигнал, преобразованный в напряжение вспомогательного преобразователя 11 при сигнале на его цифровом входе ...0;

UCMI - напряжение смещения первого операционного усилителя 2;

1)см2 - напряжение смещения второго операционного усилителя 3.

При этом вольтметр 8 фиксирует напря- жение, равное

)см1 -11см2 .

На втором этапе аналоговые переклю- чатели 6 и 7 остаются подключены к общей шине, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 поступает максимальный код ... 1 и ...1. При этом на входы цифрового вольтметра 8 по- ступают аналоговые сигналы (Umaxi +1)См1) и (Umax2 +UCM 2). Регулировкой подстроечно- го резистора 5 устанавливают нулевое значение выходного напряжения вольтметра 8.

(Umaxi +UcMl HUmax2 +UCM2 )0(2)

i{ioo.. .o)-U2(ioo. o)UHi-( Ai+

+ UcMlHUH2-(Al +UcM2)(3)

где UH UH2 номинальное значение напряжения при коде преобразования ...0 на аппроксимирующей прямой:

Ai - значение нелинейности в середине шкалы для контролируемого ЦАП:

AI - значение нелинейности в середине шкалы для вспомогательного ЦАП 11.

Уравнение (3) для третьего этапа будет преобразовано к виду

51 Ai1- Ai- ACM.

(3)

На четвертом этапе включают посредством блока 10 управления два старших разряда контролируемого ЦАП, оставляют включенным старший разряд вспомогательного преобразователя 11 и переключают аналоговый переключатель 6 таким образом, что точка подключения инверсного входа второго операционного усилителя 3 становится точкой, суммирующей токи первого выхода вспомогательного преобразователя 11 и второго выхода контролируемого ЦАП. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал

30

(110...0)(10...0)+Ul(001...1) -UH1 Ч Ae+UcM1 ) Ч Al+UCM2)

+ UH1 - Дг, UH1 UH2 +UH1,

(5)

где Дг - нелинейность контролируемого ЦАП в точке характеристики, соответствующей двум включенным старшим разрядам.

Так как ток, поступающий на вход контролируемого ЦАП от опорного источника 1, равен сумме токов, поступающих с первого и второго выходов контролируемого ЦАП, то lon li (NI) + И (NI), a I Ac I I Дг - модули равной и противоположны по знаку погрешности нелинейности.

Поэтому (5) можно представить в виде

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных циф- роаналоговых преобразователей (ЦАП). Цель изобретения - повышение надежности. Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, первый и второй преобразователи ток - напряжение, выполненные на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи 4 и 5, аналоговые переключатели б и 7, вольтметр 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок 10 управления, вспомогательный ЦАП 11, входные шины 12 и выходные шины 13- 15. Введение регулируемого элемента 5 обратной связи второго операционного усилителя 3, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом вспомогательного ЦАП 11 и с вторым неподвижным контактом первого аналогового переключателя б, позволяет повысить надежность устройства. 1 ил. у Ё Ч| XI VJ hO СО 00

Umaxi , Umax2 - максимальные действительные значения характеристик преобразователей ЦАП при отсутствии смещений операционных усилителей 2 и 3.

На третьем этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаются в прежнем положении, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 подается код на включение одного старшего разряда ......0.

При этом коды NI и N2 преобразуются в ток и далее в напряжение, поступающее на вход вольтметра 8

d2 Ai -2 Аг-Дсм.

(6)

На следующем, пятом, этапе на контролируемый ЦАП подают код ...0. соответствующий включению трех старших разрядов, а вспомогательный код ...0. При этом вольтметр 8 регистри- рует сигнал (1110...0) - U2(no...o)+

+U1(00011...1} UH1 Ч Ao+UcMlHUH24 A2+Ucw2 +

+UH1 - Аз Дг -2 Аз- Дсм.(7)

Таким образом, увеличивая с каждым последующим этапом количество включавмых разрядов основного преобразователя, получили пуравнений:

5п Д п-1 -2Дп-До.

(8)

На (п+3)-м этапе переключатель 6 устанавливают подвижным контактом на шину нулевого потенциала, а переключатель 7 устанавливают подвижным контактом на соединение с суммирующим входом первого операционного усилителя 2 и процесс повторяют аналогично четвертому (п+2)-му этапам, с той лишь разницей, что управляющие коды со значением NI, поступившие на контролируемый ЦАП, теперь подают на вспомогательный преобразователь 11. То же самое касается кодов N. с указанным ранее значением, поступавших на вспомогательный преобразователь 11, а с (п+3)-го этапа - на основной.

То есть на (п+3)-м этапе на вход вспомогательного ЦАП 11 с блока 10 управления подают код ...О, а на вход контролируемого ЦАП код Ni-100..,0.

При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал

{5n+1 Ul(10...0)+U2(0011...1)-U2(110...0) и..1-(Д 1+UcM2)+UH2- Д 2НиН2 -( + UcM2 ).

где Uni - -Una ин2, a |ДУI |Де |и величины противоположны по знаку. Раскрыв (9) получим

( -Д1-Дсм,

(Ю)

По аналогии получили для (п+4)-го этапа,

д Аз - Да- Асм. а для 2п-го этапа:

б Дп - Ли- Дсм,

где п - количество разрядов контролируемого и вспомогательного ЦАП.

Таким образом уравнения (4), (6) - (8), (10) - (12) образуют систему из 2п-1 уравнений с 2п-неизвестными погрешностями локальных нелинейностей.

Данную систему можно дополнить уравнением (2) Считая, ЧТО Умакс1 инмакс - Д п; имакс2 UnMaKc - Дп .

Подставив эти значения в (2) получим

Дгг Ал Дсм(13)

Полученная полностью определенная система уравнений легко решается, являясь

при этом более наглядной, если предварительно преобразована к следующему виду

5i (ДГ - ДО - Дсм

(52 + 5п+1 (Дг- Д1) + 2 ( - Д) - 2 Дсм

5з + W (Дг - Дг) + 2 (Дз1 - Дз) - 2 Дсм

5п + Wl (Д п-1 - Дп-1) + 2 (Дп1 - Дп) -2 Дсм

(Дп - До ) Дсм

Полагая, что все значения б 1... б (.., д п... 52п-1, Дсм получены путем- измерения на ранних этапах, легко определить все локальные нелинейности Д | основного и Д | ВСПО- метательного преобразователей.

Решение еще более упрощается, если считать, например, что в процессе сведения

конечных точек преобразователей за полюс отсчета принимается крайняя точка характеристики одного из преобразователей, например контролируемого. Тогда в уравнении (13) и в последнем уравнении системы (14) Дп принимается равным нулю.

Исследование линейности ЦАП описанным способом базируется на свойстве симметрии двоичных резистивных делителей (см. например, описание аналога авт.св. СССР № 731584, кл. Н 03 К 13/34), на базе которых выполнены вспомогательный и

контролируемый ЦАП.

Все локальные погрешности линейности как контролируемого ЦАП, так и вспомогательного: Д и Д вычисляются в отсчетно-регастрирующем устройстве 9, а

затем из Д|-Дп определяется максимальное значение, которое и принимается за нелинейность преобразователя.

В сравнении с известным устройством- прототипом по авт.св. СССР № 1455389. кл.

Н 03 М 1/10, предложенное устройство содержит на шесть меньше аналоговых ключей, которые находятся в цепях измерительного сигнала.

Блок 10 управления в самом элементар- ном виде может быть выполнен наборным полем с ручным управлением, либо представлять из себя набор регистров с внешним управлением псгпрограмме ЭВМ.

В связи с этим повышается надежность предложенного устройства при полном сохранении свойств измерения нелинейности ЦАП по всему диапазону преобразования.

Формула изобретения

Устройство контроля цифроаналоговых преобразователей, содержащее первый и второй преобразователи ток-напряжение, выполненные на элементе обратной связи и операционном усилителе, выходы первого и

второго операционных усилителей подключены к первому и второму входам вольтметра, выходы которого соединены с соответствующими входами отсчетно-реги- стрирующего устройства, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются шиной нулевого потенциала, а инвертирующие через соответствующий элемент обратной связи подключены к выходу соответствующего операционного усилителя, первый и второй аналоговые переключатели, выводы первых неподвижных контактов которых являются шиной нулевого потенциала, вывод подвижного контакта первого аналогового переключателя является первой входной шиной, вывод подвижного контакта второго аналогового переключателя соединен с первым аналоговым выходом вспомогательного цифроаналогового преобразователя, управляющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с первым и вторым управляющими выходами блока управления, первые информационные выходы которого являются первой выходной шиной, а вторые соединены с соответствующими информационными вхо- дами вспомогательного цифроаналогового

преобразователя, аналоговый вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения и является второй выходной шиной устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности,

второй элемент обратной связи выполнен управляемым, вход управления которого объединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, с выводом второго неподвижного контакта первого

аналогового переключателя и подключен к второму аналоговому выходу вспомогатель- кого цифроаналогового преобразователя, инвертирующий вход первого операционного усилителя объединен с выводом второго неподвижного контакта второго аналогового переключателя и является второй входной шиной, а выход первого операционного усилителя является третьим выходом устройства.