Устройство для измерения характе-РиСТиК СлучАйНыХ пОгРЕшНОСТЕйАНАлОгО-цифРОВыХ пРЕОбРАзОВАТЕлЕй Советский патент 1981 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к цифровой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при контроле качества изготовления аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров. Известно устройство для автоматического измерения статистических характеристик случайных погрешностей аналого-дискретных преобразователей, содержащее блок цифровой установки, выход которого соединен с входом образцового преобразователя код-напряжение и с первым входом блока сравнения кодов, второй вход которого сое динен с выходом контролируемого аналого цифрового преобразователя,суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика соединены с выходами блока сравнения кодов, генератор импульсов, выход которого соединен с запускающим входом контролируемого аналого-цнфрового преобразователя н с входом делителя частоты, первый выход которого соединен с первьм входом ключевого элемента, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, а второй выход соединен с входом устройства управления, управляющие вькоды которого соединены с управляющими входами генератора импульсов, ключевого элемента, реверснвного счетчика 1 . Данное устройство предназначено в основном для измерения функции распределения инструментальной погрешности АЦП. Однако оно не позволяет непосредственно измерить моменты 1-го и 2-го порядков функции распределения этой погрешности. Известно устройство для измерения случайных погрешностей аналого-цифровых преобразователей, содержащее блок цифровой установки, образцовый преобразователь код-напряжение, блок сложения напряжений, нелинейный элемент, коммутатор, генератор шума,контролируемый аналого-цифровой преобразова38тель, генератор импульсов, блок управ ления, блок сравнения кодов, делитель частоты, регистр, реверсивный счетчик и ключевой элемент 2. Недостатком данного устройства является то, что измерение начальных моментов 1-го и 2-го порядков случайной погрешности аналого-цифровых преобразователей происходит и два раздельных цикла. Это приводит по сравнению с одновременным вычислением этих моментов к увеличению времени измерения и погрешности. Кроме того, наличие в формуле для измерения 2-го момента значений, измеренного на 1-ом цикле 1-го момента, также не позволяет получить высокую точность. Цель изобретения - повышение точности и уменьшение времени измерения начальных моментов первого и второго порядков инструментальной погрешности аналого-цифровых преобразователей. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения характеристак случайных погрешностей анало го-1Щфр6вых преобразователей, содержащее блок цифровой установки, выход которого соединен со входом образцового преобразователя код-напряжение и с первым входом блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом контролируемого аналого1 рсфрового преобразователя, при этом суммирую1 й и вь1Читающий входы реверсивного счетчика соединены с выходами блока сравнения кодов, а выход генератора игатульсов соединен с запускающим входом контролируемого аналого-цифрового преобразователя и с входом делителя частоты, первый вход которого соединен со входом блока управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами генератора импульсов и реверсивного счетчика, кроме того, выход управляемого генератора шума через нелинейный элемент соединен с первым входом коммутатора., выход которого соединен с первым входом блока сло.жения напряженияj второй вход которого подключен к выходу образцового преобразователя код-напряжение, а вы ход - ко входу контролируемого анало го-цифрового преобразователя, введены переключатель, второй реверсивный счетчик и инвертирующий усилитель, вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, а выход 4со вторым входом коммутатора, причем входы переключателя соединены с выходами блока сравнения кодов, а коммутируемые выходы - с суммиру1рщим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика, установочный вход которого соединен с выходом блока управления, при этом второй выход делителя частоты соединен с управляющими входами переключателя и коммутатора, а управляющий вход управляемого генератора шума соединен с выходомгенератора импульсов. Измерение начальных моментов первого m . и второго m порядков случайной погрешности АЦП производится в один цикл. Причем в первом реверсивном счетчике накапливается результат, пропорциональный значению гть , а во втором - результат, пропор.циональный значению п. Необходимые в прототипе дополнительные, вспомога тельныеоперации в данном устройстве отсутствуют. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - рисунок, поясняющий работу устройства. Устройство содержит блок 1 цифровой установки, образцовый преобразователь 2 код-напряжение, блок 3 сложения напряжений, контролируемый аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 сравнения кодов первый реверсивный счетчик 6, генератор 7 импульсов, делитель 8 частоты, устройство 9 управления, управляемый генератор 10 шума, нелинейный элемент 11, коммутатор 12, инвертирующий усилитель 13, переключатель 14, второй реверсивный счетчик 15. Блок 1 цифровой установки, определяющий точку -шкалы контролируемого аналого-цифрового преобразователя 4, соединен с входом образцового преобра-зователя 2 код-Напряжение и с первым входом блока 5 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом контролируемого аналого-цифрового преобразователя 4, а выходы соединены с суммирующим и вычитающим входом первого реверсивного счетчика 6. Выход генератора 7 импульсов соединен с запускающим входом контролируемого аналого-цнфрового преобразователя и с входом делителя 8 частоты, первый выход которого соединен с входом устройства 9 управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами генератора 7 импульсов и первого реверсивного счетчика 6. Управляющий вход генератора 10 шума соединен с выходом генератора 7 импульсов, а выход через нелиней.ный элемент 11 соединен с первым входом коммутатора12, выход которого соединен с первым входом блока 3 сложения напряжений, второй вход которого соединен с выходом образцового преоб разователя 2 код-напряжение, а выход с входом контролируемого аналогоцифрового преобразователя 4. Причем вход инвертирующего усилителя 13 соединен с выходом нелинейного элемента 11, а выход - с вторым входом коммутатора 12, управляющий вход которого соединен с вторым выходом делителя 8 частоты. Второй выход делителя 8 частоты соединен также с управляющим входом переключателя 14, входы которого соединены с выходами блока 5 сравнения кодов, а коммутируемые выходы с суммирующим и вычи- , тающим входами второго реверсивного счетчика 15, установочный вход которого соединен с выходом устройства 9 управления.

Устройство для измерения начальных моментов 1-го и 2-го порядков случайной погрешности АЦП работает следующим образом.

В исходном состоянии на блоке цифровой установки 1 набран необходимый код (Н ) номера точки шкалы контролйруемого аналого-цифрового преобразователя 4. При подаче сигнала Пуск блок 9 управления устанавливает первый реверсивный счетчик 6 в нулевое состояние, а второй реверсивный 15 в состояние, соответствующее максимальному числу N, которое MOKet быть подсчитано этим счетчиком Затем блок 9 управления включает генератор 7 импульсов, который выдает импульсы на запуск контролируемого аналого-цифрового преобразователя 4, на каждом такте дискретизации АЦП 4 генератор щума 10 по сигналам с генератора импульсов 7 формирует в ви-. де напряжения очередное значение равномерного шума, которое с помощью нелинейного элемента 11 преобразуется в шум с плотностью распределения равной Чфиг. 2,а),

tA-m

)--1,

I-J . I о ,

G помощью инвертирующего усилителя 13 из шума V формируют шум V -(/ с плотностью распределения равной (фиг. 2,б)

2А V о, /V/.A

Коммутатор 12 подключает ко вход блока 3 сложения напряжений щум .V в виде напряжения в нечетные такты запуска (дискретизации) АЦП 4 и шу Vв четные такты запуска. Управлени работой коммутатора 12 осуществляется сигналом с второго выхода делителя 8 частоты.

Напряжение шума V (или V ) в сумме с напряжением Vo ч(,5) где q - ступень квантования АЦП 4 а Н - код, соответствующий номеру контролируемой точки его шкалы, измеряется контролируемым аналого-цифровым преобразователем 4. Результаты измерения АЦП 4 в виде кода Н сравниваются блоком 5 сравнения кодов с контрольным кодом Н. При этом на первом выходе блока 5 появляется импульс, если значение Hi больше или равно значению Н, а на втором выходе - в противном случае. Результаты сравнения кодов Z i можно описать знаковой функцией

(;|-)t-j пр-и,

( -1 Л ЯАИ где АЬ - значение инструментальной погрешности АЦП в i-M такте дискретизации.

Переключатель 14 по сигналам с второго выхода делителя 8 частоты соединяет в нечетные такты дискретизахщи первый выход блока 5 с суммирующим, а второй выход блока 5 - с вычитающим входом второго реверсивного счетчика i 5.В четные такты дискретизации переключатель 14 производит обратные коммутации, т.е. первый выход блока 5 соединяет с вычита;юншм, а второй выход блока 5 - с суммурующим входом второго реверсивного 15.

Таким образом, первый реверсивный счетчик 6, усредняя выходной сигнал Z 5, находит оценку вида

2N . .

,)V,

1M а второй реверсивный счетчик 15 находит, оценку вида .2(-i)), где 2N - четное число равное коэффициенту деления делителя 8 частоты по первому выходу и характеризующее объем выборки. Импульс с первого выхода делителя 8 частоты поступает на вход блока 9 управления, который выключает генератор 7 импульсов. На этом цикл измере ВИЯ моментов первого и второго порядка считается законченньм. Чи,сло, подсчитанное первым реверсивным счетчиком 6, будет пропорционально значению т первого момента, а число, подсчитан ное вторым реверсивным счетчиком 15 значению т второго начального момента случайной погрешности Д. Действительно оценку математического ожидания сигнала z можно записать в соответствии с описанными aлгopитмa да (VH(4-V) (д-1/) - Д s(M(U2i - 2iH 4rl/2i). M 5(П(д-1/) (Л-1/),(Л2. V,,,.)-S9h(;,-U) В TO ясе время математическое ожидание знаковой функции sgn (A-V) в общем виде с учётом выражения для плотности распределения шума V (фиг.2,а) и независимости процессов V и можно записать с/ А МГ5Я,м(л-у)ои (д )(u-v) ivldA Выполняя необходимые преоб1газования, окончательно получим: щ (л- v) jvT J (-wo wCMcl & . U-VM |-1 ( Л vn ) Ш () d Л-IJ ttJ (u)dM«J( - -A-M A-y« Д-Ji - первый начальный момент.

ния моментов т. и m

с помошью Аналогичным путем получается выажение для математическо -О ожидания наковой функции sgn (Y) , ,(/i-v)h-.iJ (,. ( u;(AUu -A-m 2 -A-vw i J cu(aUA. Учитывая, что сумма (разность) математиче,ского ожидания, двух величин равна математическому ожиданию суммы (разности) этих величин, найдем выражения для математического ожидания суммы и разности знаковых функций 5(П (д -V) и 5(п M-Vj (A-NhS(VH(u-v)) А -A-Vn-t tVwl (Ш1, . - A-ifM .) (u-V)Scj,h (Л-V) -A-m. A-vn (l)di-Jш(Mc(.д. Полученные выражения при условии А/б()2,где6() - среднее квадратическое значение случайной погрешности АЦП, можно переписать: (И(А-у)(й-у) -д7 (firVVscvvi (u-Vl - 41, По:этому окончательно можно записать: А у ,.Sts4n(/Vi-. -Viv-t scv it-i H bi-vl-,-); 1 I t IN Hi. A 1,11 (. .- V.) /CAai-Vki), что и доказывает возможность измерепредлагаемого устройства. Так как измерение моментов т и т2 случайной погрешности ДЦП осуществляется за один цикл одновременно, то и время, необходимое на измерение при одинаковых объемах выборки 2N-K по сравнению с прототипом, уменьшится вдвое. Кроме того, в выражении для определения второго момента не входит (как это нмеется в устройстве-прототипе) измеренное с конечной точностью значения первого момента m., Тем самым повышается точность измерения второго момента. Формула изобретения Устройство для измерения характеристик случайных погрешностей аналого цифровых преобразователей, содержащее блок цифровой установки, выход которо го соединен со входом образцового преобразователя код-напряжение и с первым входом блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом контролируемого аналого-цифрового преобразователя, при этом суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика соединены с выходами блока сравнения кодов, а выход генератор импульсов соединен с запускающим входом контролируемого аналого-цифрового преобразователя и с входом делителя частоты, первый вход которого соединен со входом блока управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами генератора импульсов и реверсивного счетчика, кроме того, выход управляемого генератора шума через нелинейный элемент соединен с первым входом коммутатора, выход которого соединен с первым входом блока сложения напряжения, второй вход которого подключен к выходу образцового преобразователя код-напряжение, а выход - ко входу контролируемого аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и уменьшения времени измерения начальных моментов первого и второго порядков инструментальной погрешности анаг лого-цифровых преобразователей, введены переключатель, второй реверсивный счетчик и инвертирующий усилитель, вход которого соединен с выходом нелинейного элемента, а выход - со вторым входом коммутатора, причем : входы переключателя соединены с выходами блока сравнения кодов, а коммутируемые выходы - с суммирующим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика, установочный входiкоторого соединен с выходом блока управления, при этом второй выход делителя частоты соединен с управляющими входами переключателя и коммутатора, а управляющий вход управляемого генератора шума соединен с выходом генератора импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I.Авторское свидетельство СССР № 319065, кл.Н 03 К 13/02, 08.06.70. 2.Авторское свидетельство СССР 690625, кл.Н 03 К 13/02/ 04.07.77.