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

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к осцилло- графическим измерителям динамических параметров ЦАП.

По основному изобретению по авт.св. № 1275766 Н 03 М 1/10 известно устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналоговы х преобразователей, содержащее генератор импульсов, выход которого соединен с входом синхронизации осциллографа, первым входом элемента И и через делитель частоты - с входом регистра сдвига, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены с шинами логических нуля и единицы, выход элемента И соединен с управляющим входом коммутатора кодов, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго регистров, а выходы коммутатора являются выходной шиной кодов устройства, второй и третий выходы регистра сдвига соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, информациейXЧ 00

Ю

ные входы которых через делители напряжения соединены с выходами источника опорных напряжений, один из которых соединен с выходной шиной опорного напряжения устройства, выходы ключей соединены с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряжения, а третий вход соединен с входной шиной устройства, выход сумматора через усилитель-ограничитель соединен с информационным входом осциллографа.

В известном устройстве статические погрешности ЦАП, осциллографа, сумматора и усилителя-ограничителя не влияют на результат измерения, т.к. на экране осциллографа одновременно наблюдаются усиленные переходный процесс выходного сигнала ЦЛП и опорные уропни, задающие зону установления. При контроле ЦАП с числом разрядов 12-16 шумы ЦАП, сумматора и усилителя-ограничителя соизмеримы с шириной зоны установления - ± 0,5 младшего разряда. При этом, шумы ЦАП и измерительного канала накладываются как на переходный процесс, так и на опорные уровни зоны установления, что приводит к погрешности определения моментов пересечения сигнала ЦЛП опорных уровней. Таким обра- зом. недостатком известного устройства является недостаточная точность при измерении времени установления сигнала высокоразрядных ЦАП.

Целью изобретения является повышение точности измерения времени установления выходного сигнала высокоразрядных ЦАП за счет фильтрации шумов ЦАП и измерительного канала при формировании опорных уровней.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения времени установления выходного сигнала цифроаиало- говых преобразователей, содержащее генератор импульсов, выход которого соединен с входом синхронизации осциллографа, первым входом элемента И и через делитель частоты - с входом регистра сдвига, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И. третий вход которого соединен с выходом переключателя, первый и второй входы которого соединены с шинами логических нуля и единицы, выход элемента I/I соединен с управляющим входом коммутатора кодов, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго регистров, а выходы коммутатора являются выходной шиной кодов устройства, второй и третий выходы регистра сдвига соединены с управляющими входами соответственно первого и второго

ключей, информационные входы которых через делители напряжения соединены с выходами источника опорных напряжений, один из которых соединен с выходной шиной опорного напряжения устройства, выходы ключей соединены с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряжения, а третий вход соединен с вход0 ной шиной устройства, выход сумматора через усилитель-ограничитель соединен с информационным входом осциллографа, введены два формирователя импульсов, элемент коррекции, выполненный на кон5 денсаторе, третий ключ, два элемента ИЛИ и элемент ЗАПРЕТ в разрыв связи выхода генератора импульсов и входа синхронизации осциллографа, второй вход элемента ЗАПРЕТ соединен с выходом первого эле0 мента ИЛИ, первый и второй входы которого соответственно через первый и второй формирователи объединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ и подключены соответственно к второму и

5 третьему выходам регистра сдвига, при этом выход второго элемента ИЛ И соединен с управляющим входом третьего ключа, выход которого является шиной нулевого потенциала, а информационный вход через

0 конденсатор соединен с дополнительным входом усилителя-ограничителя.

Сущность- изобретения заключается в уменьшении верхней граничной частоты усилителя-ограничителя в тактах формиро5 вания опорных уровней зоны установления за счет замыкания корректирующего конденсатора в цепи коррекции с помощью третьего ключа. Это позволяет уменьшить влияние шума на точность сравнения, т.к.

0 опорные уровни формируются не шумящим - скорректированным усилителем, Учитывая, что действующее значение белого шума пропорционально корню квадратному из полосы частот, то уменьшение

5 полосы пропускания на два порядка позволяет на порядок уменьшить влияние белого шума при формировании уровней ± 0,5 МР. Эффект снижения шумов еще более значителен, если шум не белый, а высоко0 частотный (с преобладающими высокочастотными составляющими), В такте формирование переходного процесса полоса пропускания усилителя-ограничителя должно быть максимальной (корректирую5 щий конденсатор отключен), в противном случае динамические искажения приведут к погрешности измерения. При этом, поскольку происходит сравнение зашумлен- ного и незашумленного сигналов, фильтрация шумов при формировании

опорных уровней позволяет уменьшить ошибку сравнения в 1,3-1,4 раз, без увеличения динамической и статической погрешностей.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг, 2 - временные диаграммы сигналов элементов устройства; на фиг. 3 и 4 - осциллограммы соответственно при отключенном и включенном фильтре, поясняющие положительный эффект.

Устройство (фиг.1) содержит генератор импульсов 1, делитель частоты 2, регистр сдвига 3, осциллограф 4, элемент И 5, переключатель 6, регистры кодов 7 и 8, коммутатор 9, источник компенсирующего напряжения 10, сумматор 11. усилитель-ограничитель 12 с каскадами усиления 29 и 30, источник опорного напряжения 13, делители напряжения 14, 15, ключи 16, 17, фильтрующий конденсатор 18, ключ 19, элементы ИЛИ 20, 21, формирователи импульсов 22, 23, элемент ЗАПРЕТ 24, выходную шину кодов 25, входную шину 26, выходную шину опорного напряжения 27, для подключения контролируемого ЦАП 28.

Выход генератора импульсов 1 соединен с первым входом элемента И 5 и входом элемента ЗАПРЕТ 24 и через делитель частоты 2 с входом регистра сдвига 3, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И 5. Третий вход элемента И соединен с переключателем 6, а выход - с входом управления коммутатора 9, информационные входы которого подключены к выходам регистров кодов 7 и 8. Второй и третий выходы регистра сдвига 3 соединены с входами управления ключей 16 и 17, входами элемента ИЛИ 20 и через формирователи импульсов 22 v 23 с входами элемента ИЛИ 21, выход которого соединен с управляющим входом элемента ЗАПРЕТ 24. Входы ключей 16 и 17 соединены с выходами делителей 14 и 15, а выходы подключены к первому входу сумматора 11, второй вход которого соединен с выходом источника компенсирующего напряжения 10, а третий вход - с входной шиной 26. Выход сумматора через усилитель-ограничитель 12 соединен с входом осциллографа 4. Выход коррекции усилителя-ограничителя 12 через конденсатор 18 и ключ 19 соединен с общей шиной, а вход управления ключа 19 соединен с выходом элемента ИЛИ 20.

Устройство работает следующим образом.

В регистры 7 и 8 заносятся требуемые коды NI и N2, переключателем 6 с помощью сигнала лог.О элемент И 5 блокируется, к контролируемому ЦАП 28 подключен код N2

регистра 8. С помощью регулировки источника 10 сигнал ЦАП компенсируется опера тором. Затем переключателем 6 подается сигнал логической единицы на вход элемента И 5. Импульсы генератора с периодом повторения Т0 (фиг.2а) через делитель частоты 2 с коэффициентом деления m (фиг.26), поступают на вход регистра сдвига 3, на выходах которого формируются импульсы

длительностью Ti Т2 Тз тТ0, задающие длительность трех периодически повторяющихся тактов (фиг.2в,г,д).

В первом такте TI через элемент И 5 импул ьсы генератора 1 поступают на вход

управления коммутатора 9, на интервал То/2 к ЦАП подключается исходный код NI регистра кодов 7. В момент окончания импульсов генератора 1 на входах ЦАП 28 происходит смена кодов NI - N2, начинается

контролируемый переходный процесс, установившееся значение которого на выходе сумматора 11 равно нулю благодаря компенсации установившегося сигнала напряжением источника 10. Усиленный процесс

поступает на вход осциллографа 4 (фиг.2е), а запуск развертки также осуществляется в момент смены кодов NI - N2, т.е в момент начала переходного процесса по окончанию импульсов генератора 1, поступающих через элемент ЗАПРЕТ 24 {фиг.2и)

Во втором такте Т2 замыкается ключ 16. к сумматору подключается опорный уровень +0,5МР делителя 14, а в третьем такте через ключ 17 опорный уровень -0,5 МР делителя 15. На время второго и третьего тактов сигналами блока 3 через элемент ИЛИ 20 (фиг.2ж) замыкается цепь коррекции - ключ 19 и конденсатор 18. Полоса пропускания усилителя-ограничителя уменьшается.

что позволяет формировать незашумлен- ные уровни ±0,5 МР. Так как из-за инерционности усилителя-ограничителя во втором и третьем тактах время установления усиленных уровней ± 0,5 МР может превышать

То, то для исключения наблюдения переходных процессов медленного усилителя-ограничителя на время переходных процессов развертка осциллографа блокируется. Для этого в начале тактов Т2 и Тз

формирователи 22, 23 формируют импульсы длительностью Т3, которые через элемент ИЛИ 21 управляют элементом ЗАПРЕТ 24 (фиг,2з). Длительность импульсов Т3 выбирается исходя из постоянной времени усилителя-ограничителя при подключенном фильтре. В тактах Та и Тз за исключением интервала Т3 запуск осуществляется с периодом Т0, (фиг.2и), что позволяет наблюдать одновременно переходный процесс и пороговые уровни Для того, чтобы яркости изображений наблюдаемых сигналов не сильно различались, длительность запрета запуска Т должна составлять не более 10-20% от длительности тактов, обеспечивая примерное равенство числа запусков развертки за один цикл (ЗтТо) для всех трех сигналов.

Для оценки положительного эффекта будем считать для простоты, что переходный процесс ЦАП - экспоненциальный, измерительный канал имеет однополюсную передаточную характеристику. При контроле, например, 14-ти разрядных ЦАП с временем установления 10 мкс ширина зоны установления

±0,5Мр -Uon/2N+1 ± 10 24/г15 ±312,

tycr - At Гцап In Ј + Гцап In

Јцап

5 учитывая, что

tycr ТГцап nVe-- Гцап In f ,

10

At -Тцяп In

Гцап Ту

ьцап

Относительная погрешность

15

Ту с т

In

Ецап Щ %цап

fne

Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено для ос- циллографического измерения времени установления высокоразрядных ЦАП и является усовершенствованием основного изобретения по а.с. СССР We 1275766. Цель изобретения - повышение точности измерения. Время установления определяется по моменту последнего вхождения переходного процесса в зону установления, ограниченную пороговыми уровнями. Установившийся сигнал ЦАП компенсируется напряжением регулируемого источника. Пороговые уровни формируются путем деления опорного напряжения и через ключи поочередно с переходным процессом подключаются на вход сумматора. На экране осциллографа за счет соответствующей синхронизации обеспечивается одновременное наблюдение переходного процесса и пороговых уровней. В тактах формирования пороговых уровней замыкается цепь коррекции усилителялограничителя, полоса пропускания последнего сужается и эффективное значение шума, искажающего пороговые уровни, уменьшается. В устройстве содержатся формирователи импульсов, сигналы которых через элементы ИЛИ и ЗАПРЕТ блокируют запуск развертки осциллографа на время переходных процессов скорректированного усилителя-ограничителя. 4 ил. (Л С

а относительная точность установления

г.- /2N И 3

Время установления экспоненциального переходного процесса tyct ггцдп in Ус , откуда эквивалентная постоянная времени ЦАП

ГЦАП - tycrfnvfe -

Юмкс

:(WFT)ln2

0,96 мкс

С учетом инерционности усилителя измерительного канала с постоянной времени Гу искаженный переходный процесс

(нормированный)

гу цап

r(jp1

JJL

Ту Тцап

Последним слагаемым пренебрегаем, так как при г 0,3 ГЦАП оно пренебрежимо мало по сравнению со вторым.

Для оценки временной погрешности, вносимой Гу , учтем, что переходный процесс заканчивается, когда сигнал достигнет уровня Uycr - 05 МР или 1- Јдля нормированного процесса y(t). Таким образом, абсолютную погрешность At найдем из условия

Y(tycT+At)1 +

1уст + At

е ЯЭ1 1

Ј.

откуда

Отсюда требуемое значение

( о/ 1 U fa)

5t

7у - Гцап (1-Ј ) При заданной погрешности д. -

30

гу 0,(3-105) 0,96 (1-0,9) мкс - 0.1 мкс, Верхняя граничная частота усилителя

и -

1

2лггУ 2тгО,1

-Г- 1.6 МГц

Для простоты, чтобы избежать интегрирования по частоте, будем считать, что шум усилителя имеет равномерную спектральную характеристику - белый шум. В этом случае шумящий усилитель можно заменить нешумящим с эквивалентным шумовым сопротивлением Рш на входе. Пусть Кш 50 кОм. Тогда спектральная плотность шума:

50

Зш№ - & /4 к т , Эмк9//гчг

- о,бав4мк8/ гк; - га,4 на/я.

Эффективное значение напряжения шума при полосе усилителя

Af fB -fH fb -0 fb

ГСГс Ј- 5u {f) 7л7 2fl,A HB- Аб-10 3бмк6

Учитывая, что при нормальном распределении 99% амплитуд шумового напряжения укладываются в границах±3 ш (правило трех сигм), получим ширину шумовой дорожки на экране осциллографа 6 ш 216 мкВ.

На рис. 3 приведена осциллограмма в масштабе 200 мкВ/см для данного примерного расчета. Оценим возможное сужение полосы пропускания, Так как предел изме- рения времени установления 10 мкс, то период переключения ЦАП в интзрвале измерения должен быть не меньше 2tyCr - 20 мкс. Пусть период сигнала генератора 1 (рис.1) Т0 20 мкс,а коэффициент деления делителя 2 m 100. Тогда длительность тактов тТо 2 мс. Без значительной потери информации можно допустить запрет развертки в течение 10% от интервалов Jy. и Тз. Поэтому длительность импульсов Тэ формм- рователей 22 и 23 составляет 10% от тТ0, т.е. 0,2 мс.

Время установления пороговых уровней ± 0,5 МР ty;T In Уд , где б - точ

ность установления.

Ту - постоянная времени усилителя при подключенном фильтре.

Постоянная времени усилителя с фильтром составляет-

Ту CReblX ,

где С - величина фильтрующего конденсатора;

Квых - выходное сопротивление промежуточного каскада, к которому подключен конденсатор,t

Учитывая, что tycr должно быть не больше Т3, получим постоянную времени усили- теля с фильтром:

ит

J - чет з ,

При

Ту 0,2 мс/1п100 43,4 мкс.

Полоса пропускания усилителя включенном фильтре

А- 1

10й

i о тг лъ л - «ЗДкГц -. 2лТу 2 л:-43,455

Дальнейшее сужение полосы усили геля нецелесообразно. Из-за возрастания ту необходимо увеличивать тэ , но это приводит

5

0 5 0

4

0

5

0

5

0

-. 5

к заметному уменьшению яркости изображения линии ± 0,5 МР на экране осциллографа относительно яркости изображения переходного процесса.

Эффективное значение шума для усилителя с полосой f, :

1ш S1u(f)J/fb 28,4 нВ 1/3,7- 10 1,73мкВ, а шумовая полоса на экране 6li« 10 мкВ.

Таким образом, для приведенного примера влияние шумов при формировании уровней ± 0,5 МР уменьшается в 20 раз (фиг.4).

Приведенную оценку следует считать минимальной, так как при отличии переходного процесса от экспоненты (наличие высокочастотных колебаний и выбросов из-за замыкания ключей ЦАП) полоса пропускания усилителя при том же tycr ЦАП должна быть выше, следовательно больше эффективное значение шума ш. и возможное относительное уменьшение шумов при подключении фильтра.

Сравнивая осциллограммы (фиг.З и 4), видим, что временная неопределенность из-за влияния шума при наличии фильтра Дгш1 Atuii. Конкретный выигрыш в точности зависит от формы переходного процесса: чем плавнее переходный процесс, тем существеннее выигрыш в точности. Значительное повышение точности достигается и при колебательном переходном процессе, свойственном для большинства интегральных ЦАП. Сужение полосы при формировании ±.0,5 МР позволяет вообще исключить участок неопределенности Лт.ш2.

Численный пример рассмотрен в предположении, что спектральная плотность шумового напряжения усилителя постоянна. В усилителе могут преобладать высокочастотные шумы, из-за влияния местных отрицательных линейных и нелинейных обратных связей, которые необходимы для расширения полосы пропускания и для предотвращения глубокого насыщения при перегрузке. В этом случае влияние шумов еще белее значительно уменьшается при подключении фильтра.

Считая, что шум не коррелирован, и учитывая правила сложения случайных величин, получим. что временная неопределенность Atuji меньше в раз чем Atiui (рис.3,4). Таким образом, минимальной оценкой повышения точности следует считать снижение в 1,4 составляющей погрешности измерителя , обусловленной влиянием шумов усилителя, сумматора и ЦАП.

Особенно эффективно изобретение при контроле высокоразрядных (12-16) быстродействующих (tycr 5MO икс) ЦАП известными методами из-за влияния шумов контролируемого ЦАП и измерительного канала не удастся обеспечить широкую полосу пропускания усилигеля-ограничителя и необходимую разрешающую способность.

Формула изобретения Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроана- логовых преобразователей по авгев № 1275766, отличающееся тем, что, с целью повышения точности в него введены два формирователя импульсов, элемент | пррокиии ипельзннк й на конденсаторе,

третий ключ, два элемента ИЛИ и элемент ЗАПРЕТ в разрыв связи выхода генератора импульсов и входа синхронизации осциллографа, второй вход элемента ЗАПРЕТ соединен с выходом первого элемента ИЛИ первый и второй входы которого соответственно через первый и второй формирователи объединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ и подключены соответственно к второму и третьему выходам регистра сдвига, при этом выход второго элемента ИЛИ соединен с управляющим входом третьего ключа, выход которого является шиной нулевого потенциала, а информационный вход через конденсатор соединен с дополнительным выходом усилителя-ограничителя.

Фиг.1

Mutt

0,5МР-ЗПЗнкВ 1ш ЗбмнВ . б1ш-216мк8

Фиг. J

diu/z & 3H5S5SS33SS

0,5 МР-312,5 мкв м/ - ЗВмкВ 51м- 216 мк& 1ш иъмкв Ыш 10мкв фигЛ