Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей и устройство для его реализации Советский патент 1983 года по МПК H03K13/02 

ти АЦП, например, интегральная и дифференциальная нелинейность. В качестве измерительного обычно используют периодический сигнал - пилообразный или гармонический вида f (t)Uo5iH( vf) , где Uo - амплитуда, Ц| - начальная фаза. Гипотетические значения частот выпаданий кодов п /J при подаче на вход АЦП гармони ческого сигнала определяются исходя из следующих соображений: цифровые эквиваленты f(ty,) текущего значения Ьармонического сигнала постоянной амп Ьитуды Up и постоянной частоты умоя но рассматривать как случайную величи ну, если начальная фаза Vf )есть случайная величина. Если Чк. имеет ра номерную плотность распределения вер .ятности . ((2lt) при 27Г PCV) |0 при других Ч , плотность распределения- вероятности значений f(t|.) описывается законом арксинуса.Исходя из значения m и п по указанному закону находят гипотетические значения. При проведении такого эксперимента возникает эффект периодизации так называемых биений измерительг ного сигнала и импульсов дискретизации, для устранения которого в извест ном способе предусмотрена регистрация цифрового сигнала на выходе АЦП в случайные моменты времени Тр а %e где %певГ псевдослучайная функция Ьт целочисленного аргумента.Рассмотрим подробнее эффект перио дизации. Пусть на вход АЦП поступает периодический измерительный сигнал и f (t) , период которого Tg, , а значения изменяются; в пределах дина мического диапазона АЦП -U,,; UQ, Цифровые эквиваленты N этого сигнала Ui f (t-i) в моменты времени t: формируются на выходе АЦП. Здесь ti- моменты времени/ определяемые соотношением3-tj.,T -VU- T 3. где Т - постоянН1;й период, именуе1 мый в дальнейшем периодом дискретизации; t - начальная фаза дискретизации , определяемая как проиЗ вольное значение из отрезка (О, Tq,) ; ti - момент дискретизации. Определим, когда в последовательности значений f(t;j) начинается периодизация, т.е. начиная с какого момента времени t; имеет место следую- щее , i(ij)-f(iri) fC-tiviMtt) iaij-2)--f(t,) )--f(-i. Чтобы имела.место система (2), в силу периодичности функции необходимо выполнение соотношения , .-. .ет,,, где г О, 1, 2 ... В силу соотношение (1) решение (2) сводится к решению уравнения откуда еч1-1)Таким образом, если существуют такие целые и 1, которые удовлетворяют выражению (3), то NOJ определяем, начиная с какого, момента времени начинается периодизация последователь4к сти значений U-. Вели вьфажение (3) не имеет решения при целых j и t, периодизация не имеет места. Бели Т. и рациональные числа,; вьфажение (3) всегда имеет решение, так как можно представить как отношение двух целых взаимно простых чисел с и г. При j-rl г получаем с - целочисленное решение системы (3), т.е. Поэтому, начиная с момента времени 1-го периода измерительного сигнала начинается периодизация значений U; , а следовательно и цифровых эквивалентов N на выходе АЦП. Описанный эффект накладывает ряд особенностей на результаты, регистрируемые в процессе измерения t 1.Значение U, где к j , появляющееся после Uj равно одному из значений f(t) из ряда: и , и if« . , Uj.. 2.Значение U в момент времени ti является случайной величиной, поск льку и зависит от t LtjH/(j-i)T,jl. При этом по условиям проведения эксперимента t yj случайная величина из интервала (Q, Тл,) . 3.эффект периодизации может наступить и при 3 2, тогда часть возможных кодов N из ряда N- - N будет отсутствовать. 4.Частота появления назначения в выборке до наступления периодизации не является постоянной, а зависит от значения t и соотношения T|jji/B. 5. Для случая 7 2 возможно, чт при некоторых значениях t часть Таким образом, эффект периодизации при соотношении , т.е. в у ловиях, близких к реальным условиям работы быстродействующих АЦП, приво дит к искажению гипотетических значе ний п; / что делает невозможньви оцен ку полученных в результате эксперимента эмпирических значений п, а следовательно и измерение динамичес кой погрешности. Определим значение частоты п появ ления и,- в выборке до наступления пе риодизации. Пусть за 1 периодов изме рительного сигнала наступает перио дизация. Каждому из возможных кодов соответствует определенный участок динамического диапазона изме рительного сигнала, а следовательно и множество временных интервалов At такое, что при t е АЦ (4-O«(t)«li 1. Таким образом, за 1 периодов изме ри:рельного сигнала на оси времени 1 раз имеется множество Atj . Обозначим через R объединение 1 множеств . ДЦ- : н5 Up At,- . Очевидно, количест-1 1 UpAtj во появлений кода N;,- равно числу моментов дискретизации, попавших на R. Обозначим это количест множество во п . Величина п -зависит от ),t и соотношения То,, /Тл, т.е. и мишемил Кц f -Сг (t), t Tgx/TJ, S так как ц случайная величина, распределенная с 1ГаЛгж 1. n j r« плотностью Р{Ц), п также случайная величина, п. р. Ь в которой определяетсяdvKftU. dt, в общем виде выражение для Р( не получается. Определим ) для частного случая Пусть f(t) - периодический пилооб разный сигнал с периодом любого кода N из общего числа 2 кодом имеем т.... utr--: -Tfil- . -i- , I Допустим, что mо Mrt Т -le. « 2 ЧиСло появлений кода тече ние одного периода измерительного си нала можно оценить снизу величиной или, учитывая принятые допуще о Г. 1 периодов до начала L J периодизации появления соответственно(Ка y Z-n4 f. Откуда - / .. . ) - E-f-Ib.Общее число моментов дискретизации 1 периодов п. С другой стороны п 1 или . 9 Тогда: , .- Полученные результаты для рассмотренного частичного случая позволяют сделать следующие выводы: а) пров.едение эксперимента при указанных условиях обеспечивает случайность факта появления некоторого кода причем вероятность появления бого кода постоянна и равна 1 полностью соответствует виду измерительного сигнала; б) вероятность .P(N-) не зависит от значения t, в) поскольку каждый из N. 1 Обязательно появляется на выходе АЦП, Таким образом, при проведении эксперимента при эффект периодизации, наступая после набора требуемого объема выборки п, не искажает результатов. Тих При --2|-,, например при 1000 нсек, Tiy 100 нсек и 5 эфbeKT периодизации наступает до Набора необходимого объема выборки п. В известном способе для устранения указанного эффекта предлагается каждый код , полученный на выходе АЩ1, включать в результирующую выборку по случайному закону - включать Nj с некоторой вероятносты оЫ либо не включать с вероятностью (1 -tC ). Однако, если при некотором .nt мы не получаем на выходе АЦП какие-либо коды N , то исключение ряда кодови удлинение времени получения выборки з конечного набора не может изменить конечный состав выборки. Кроме того, этот прием не позволяет устранить зависимость от t , т.е. изенение гипотетического значения п. т реализации к реализации. Цель изобретения - повышение точости измерения динс1мической погрешости. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей путём преобразовани гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, одновременно с преобразованием гармонического сигнала осуществляют выделение последовательных временных интервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, и с произвольной начальной фазой для первого интервала, а в ка1естве дискретных моментов времени используют случай.ные моменты, распределенные в указанных интервалах с равномерной плотностью вероятности. При этом в устройство для измерения динамической погрешности аналого цифровых преобразователей, содержащее генератор измерительного сигнала, сое диненный с входом проверяемого аналого-цифрового преобразователя, информационный выход и выход сигнализации конца преобразования которого соединены р соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блокг генератор синхроимпульсов, введена, одновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и ключ запуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен .с входом синхронизации форм ователя случайного сигнала, вход запуска которого сое динен с выходом фазового детектора, а вход разрешения - с выходом сигнализации конца преобразования проверяе мого аналого-цифррвого преобразова.теля, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор соединен с входом дискретизации проверяемого аналого-цифрового преобразователя, при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазового детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора измерительного сигнала, На фиг. 1 представлена временная диаграмма, поясняющая сущность пред пагаемого способа; на фиг. 2 - схема устройства, реализующего предлагаемы способ. Сущность предлагаемого способа за ключается в следующем. На вход АЦП подается измерительный гармонический сигнал (эпюра 1) . При .следовании импульсов дискретизации с постоянным периодом Т(у эффект периодизации , возникает при любых детерминированных соотношениях Т и Т , при услоТйЧВИИ f 1/ т.е. в режиме, соотве ствукяцем реальному режиму работы быстродейстйующих АЦП. Поэтому предлагается изменять значение Т по случайному -закону, а именно в пределах каждого последующего временного интервала, равного периоду измерительного сигнала , формировать импульс дискретизации в случайные моменты времени, причем плотность распределения вероятности P{t) момента появления импульса дискретизации tg, в пределах соответствующего периода описывается равномерным законом (эпюра 6) „. ., рп о -и, Аругих д , где к 0,1,2... Начальная фаза (t) отсчета первого временного интервала (эпюра 7) может принимать произвольное значение, не влияя на конечный результат, так как импульс дискретизации распределен по равномерному закону на всем периоде входного сигнала. Таким образом обеспечивается выполнение условия проведения эксперимента с гармоническим сигналом путем выборки его значений в случайные моменты времени. Однако при проведении эксперимента следует учитывать особенности реальных АЦП, имеющих предельный период дискретизации TQ - минимальный временный интервал, необходимый для обра60ТКИ входного сигнала. Его длительность определяется структурой преобразователя и является паспортной характеристикой каждого реального АЦП, в которых предусмотрен специальный выход Сигнализация конца преобразования. Для быстродействующих АЦП, предназначенных для обработки широкополосных случайных сигналов, имеющих СК., граничную частоту спектра значение предельного периода дискретизации обычно определяется соотношением Т1 . гт.,тт - Ф /2 и Тру вероnpH-Tlj Т ятностью Р 0,5 возможен,вариант, когда импульс дискретизации поступает на АЦП до окончания предыдущего цикла преобразования, что приводит к искажению выходной информации. Поэтому при реализации предлагаемого способа, последовательно отсчитывая интервалы, равные , формировать импульс дискретизации следует лишь в том случае, Сли до этого появляется сигнал на выходе АЦП - Сигнализация конца преобразования. В противном случае интервал Тех. отсчитывается, но импульс дискретизации не формируется (эпюры 6 и К, сечение АБ). Использование предлагаемого способа приводит в среднем к удвоению вре1иени измерения. Однако при оценке динамической погрешности быстродействующих АЦП это время не превьпиает нескольких минут, поскольку преобразователи данного класса выполняют миллион и более преобразований в секунду.. Устройство для реализации предлагаемого способа содержит генератор 1 измерительного сигнала, проверяемый АЦП 2, блок 3 регистрации, вычислительный блок 4, одновибратор 5, форм рователь 6 случайного сигнала, фазовый детектор 7, генератор 8 синхроим пульсов и ключ 9 запуска. Выход гене ратора 1 измерительного сигнала соединен с входом проверяемого АЦП 2 и входом фазового детектора 7. Информа ционный выход и выход сигнализации конца преобразования проверяемого АЦ 2 соединены с соответствующими входа ми блока 3 регистрации, выход которо го соединен с входом вычислительного блока 4. Выход генератора 8 синхроим пульсов соединен с входом синхрюниза ции формирователя 6,случайного сигна ла, вход запуска которого соединен с выходом фазового детектора 7, а вход разрешения --с выходом сигнализации конца преобразования проверяемого АЦП 2. Выход формирователя б соединен с входом однрвибратора 5, выход которого соединен с входом дискретиза ции АЦП 2. При этом Ключ 9 запуска управляет работой фазового детектора 7 . Устройство работает следующим ойразом. Измерительный сигнал заданной частоты и амплитуды с выхода генератора 1 непрерывно подается на вход контролируемого АЦП 2 и фазового детектора 7. При замыкании ключа 9 фазовый детектор 7 подает импульсы на вход запуска формирователя 6 случайного сигнала {фиг. 1, эпюра 7). Период, импуль сов равен периоду измерительного сигнала Tg, а их начальная фаза % постоянна относительно некоторой произвольной фазы измерительного сигнала фиг. 1, эпюра 7) . В соответствии с предложенHfc i способом значение Ч1ц не влияет на получаемые результаты. На вход синхронизации формироватег ля б с генератора 8 поступает последовательность синхроимпульсов, следующих с периодом 1f. (фиг. 1, эпю-ра 8) . При готовности АЦП 2 к обработке информации, т.е. при его включении или окончании преобразования в предыдущем цикле, на выходе сигнализации конца преобразования А1Щ 2 появляется сигнал, поступающий на вход разре1 ения формирователя б (фиг. 1, эпюра К) . В качестве последнего может быть использована схема на базе гене ратора псевдослучайной импульсной последовательности. На выходе формирователя 6 импульс появляется в случайный момент времени в течение периода измерительного сигнала , отсчитываемого относительно момента.поступления импульса с выхода фазового детектора. При этом плотность распределения вероятности мьмента появления импульса в пределах ( О, Тру) описывается равномерным законом (фиг. 1 эпюра 6). Для реализации способа длина L псевдослучайной импульсной последовательности до.пжна быть больше объема выборки п . С выхода формирователя б импульс поступает на одновибратор 5, который генерирует импульс дискретизации заданной длительности, необходимый для правильного функционирования АЦП 2. Таким образом начинается цикл преобразования измё)ительного сигнала. По окончании цикла на информационном выходе АЦП 2 появляется цифровой сигнал, соответствующий значению измерительного сигнала в момент поступления импульса дискретизации. При этом с выхода сигнализации конца преобразования АЦП 2 подается импульс на . формирователь б и .на блок 3 регистрации, разрешая запись цифрового сигнала с информационного выхода АЦП 2. Особенность работы формирователя 6случайного сигнала заключается в том,, что, если на его вход запуска импульс с выхода фазового детектора 7поступает до появления на его входе разрешения импульса сигнализации конца преобразования, выходной импульс с равноМерньм законом распределения моменха появления не формируется. Выборка значений цифровых сигналов на выходе АЦП 2 формируется вычислительным блоком 4, который регистрирует п цифровых сигналов с помощью блока 3 и определяет значения п., по которым согласно способу вычисляются характеристики динамической погрешности АЦП 2. Величина Т(,у,цу определяется чз следующих соображений. Известно, что при гармоническом сигнале, подаваемом на вход АЦП, величина временного интервала, соответствующего 1 кванту, не постоянна, а ее минимальное значение J определяется из выражения -i- -- itCZ.-) Таким образом, необходимо потребовать, чтобы хотя бы один импульс синхронизации полностью находился в указанном интервале Т -lei- синх атс() Для удобства реализации берем це,лую часть от знаменателя, т.е. С№Са.)Зи Таким образом, предложенный способ позволяет оценить погрешность быстродействующего преобразователя в дина 1ическом режиме при граничной часто jra спектра кодируемого сигнала и частоте дискретизации, близкой к предель ной частоте АЦП данного типа, т.е. в условиях, соответствующих реальным условиям работы быстродействия АЦП. Использование изобретения позволяет автоматизировать процесс измерения на базе универсальной мини-ЭВМ. В соответствии с предложенным способом и устройством был разработан и изготовлен лабораторный макет, эксплуатация которого показала следующие преимущества: а)повысилась достоверность оценки реальной характеристики квантования АЦП в динамическом режиме за счет увеличения точности измерения реально го шага квантования; б)была обеспечена возможность оценки динамической погрешности АЦП при граничной частоте спектра входно го сигнала и частоте дискретизации, близкой к предельной частоте АЦП данного типа. Так, например, быстродействующие АЦП, предназначенные для кодирования вещательного ТВ-видеосигнала, имеют частоту дискретизации МГц при полосе частот кодируемого видеосигна ла б МГц. Известный способ обеспечивает достоверный контроль при использовании периодического измерительного сигнала с частотой с 1 МГц. Пред ложенный способ позволяет контролиро вать преобразователь при любых соотношениях tfg. и nof т.е. обеспечить контроль изделия в условиях, соответствующих реальному режиму работы быстродействующих АЦД. В соответствии с предложенным способом разработан и изготовлен макет устройства, обеспечивающий измерение динамической погрешности при частотах vp и соответ ственно 20 и 20 МГц. Эксплуатация макета позволяет выявить наличие значительной погрешности контролируемых МГц. Формула изобретения 1. Способ измерения динамический погрешности аналого-цифровых преобразователей путем преобразования гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового-сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, одновременно с преобразованием гармонического сигнала осуществляют выделение последовательных временных интервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, с произвольной начальной фазой для первого интервала, а в качестве дискретных моментов времени используют случайные моменты, распределенные в указанных интервалах с равномерной плотностью вероятности. 2. Устройство для измерения динамической погрешности аналого-цифровых реобразователей, содержащее генератор измерительного сигнала, соединенный с входом проверяемого аналогоцифрового преобразователя, информационный выход и выход сигнализации конца преобразования которого соединены с соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блока, генератор синхроимпульсов, отличающееся тем, что в него введены одновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и ключ запуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен с входом синхронизации формирователя случайного сигнала, вход запуска которого соединен с выходом фазового детектора, а вход разрешения - с выходом сигнализации конца преобразования аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор, соединен с входом дискретизации проверяемого аналого-цифрового преобразователя, при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазового детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора измерительного сигнала . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 169294, кл. Н 03 К 13/02, 1963. 2.Авторское свидетельство СССР 310384, кл. Н 03 К 13/02, 1968. 3.Elektronik, 1978, V 27, 4, р. 57-101 (прототип).