Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей и устройство для его осуществления
1, Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в суммировании двух испытательных сигналов с разной скоростью изменения, подаваемых на испытуемый аналого-цифровой преобразователь , формировании основных тактовых сигналов при переходе быстро изменяющегося испытательного сигнала через опорный уровень, формировании кода, пропорционального сумме двух испытательных сигнапов, и сравнении данного кода с заданным кодом в моменты поступления основных тактовых сигналов, формировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения, измерении кода среднего значения медленно изменяюР1егося испытательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при сравнении кодов в качестве заданного кода используют код соответствующего опорного уровня после измерения кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, величину опорного уровня изменяют до момента равенства кода . измеренного среднего значения-медленно изменяющегося испытательного сигнала заданному коду опорного уровня, в точке перехода через опорный уровень быстро изменяющегося испытательного сигнала определяют величину и знак его производной, формируют вспомогательную последовательность тактовых импульсов с синхронизацией ее с основными тактовьми сигналами, а формирование кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов на последующих тактах преобразования, осуществляют в моменты поступления вспомогательной последовательности тактовых сигналов, измеренный код среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, соответствующий определенной величине производной быстро изменяющегося сигнала, используют в качестве параметра динамической характеристики испытуемого аналого-1Щфрового преобразователя . 2, Устройство для измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей , содержащее блок формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала, блок формирования медленно изменяющегося испытательного i (Л С IND о 00 а со
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
И ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОсудАРственный кОмитет сссР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3733105/24-24 (22) 21.04.84 (46) 07.01.86. Бюл. Р (71) Институт электроники и вычислительной техники AH ЛатвССР (72) В.Я.Загурский (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
1I": 809548, кл. Н 03 К 13/02, 1981.
Авторское свидетельство СССР
II 1058048, кл. Н 03 К 13/02, 22.09.82. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУ10ЩИХ И ВЫСОКОТОЧНЫХ АНАЛОГОЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-циАровых преобразователей, заключающийся в суммировании двух испытательных сигналов с разной скоростью изменения, подаваемых на испытуемый аналого-цифровой преобразователь, Аормировании основных тактовых сигналов при переходе быстро изменяющегося испытательного сигнала через опорный уровень, Аормировании кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов, и сравнении данного кода с заданным кодом в моменты поступления основных тактовых сигналов, Аормировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения, измерении кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при
„„SU„, 1203699 А (5D 4 H 03 М 1/10 сравнении кодов в качестве заданного кода используют код соответствующего опорного уровня после измерения кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, величину опорного уровня изменяют до момента равенства кода . измеренного среднего значения-медленно изменяющегося испытательного сигнала заданному коду опорного уровня, в точке перехода через опорный уровень быстро изменяющегося испытательного сигнала определяют величину и знак его производной, формируют вспомогательную последовательность тактовых импульсов с синхронизацией ее с основными тактовыми сигналами, а Аормирование кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов на последующих тактах преобразования, осуществляют в моменты поступления вспомогательной последовательности тактовых сигналов, измеренный код среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, соответствующий определенной величине производной быстро изменяющегося сигнала, используют в качестве параметра динамической характеристики испытуемого аналого-цифрового преобразователя.
2 ° Устройство для измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобраэоватЕлей, содержащее блок формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала, блок Аормирования медленно изменяющегося испытательного
1203б99 сигнала, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к первой выходной шине, первый вход блока цифрового сравнения кодов соединен с входной шиной, второй вход — с первым выходом блока задания кодов, выход блока цифрового сравнения кодов подключен к входу блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала, цифровой интегрирующий вольтметр, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок задания пороговых уровней, блок фиксации порогового уровня, блок компараторов, измеритель временного интервала, синхронизируемый генератор импульсов, причем выход блока формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала соединен непосредственно с вторым входом аналогового сумматора и с первым нхоИзобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано для измерения динамических характеристик быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей в сетевых измерительных системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.
Цель изобретения — повышение точности измерений динамической характеристики преобразования аналогоцифровых преобразователей.
На фиг.1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг.2 — функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.
Диаграммы (фиг.1) показывают быстро изменяющийся испытательный сигнал 1, медленно изменяющийся испытательный сигнал 7; сигнал 3, равный сумме сигналов 1 и 2, подаваемых о на вход испытуемого аналого-цифрового преобразователя, опорный сигнал
4, соответствующий выбранной точке характеристики преобразования, сформированный сигнал 5 дискриминации,цом блока компараторон, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами блока задания пороговых уровней непосредственно, четвертый вход через блок фиксации порогового уровня подключен к третьему выходу блока задания пороговых уровней, а первый и второй выходы соединены с соотнетстнующими входами измерителя временного интервала, а третий соединен с первым входом синхронизируемого генератора импульсов, второй вход которого подключен к второму выходу блока задания кодов, а первый и второй выходы соединены с второй выходной шиной и третьим входом блока цифрового сравнения кодов соответственно, выход блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала соединен с входом цифрового интегрирующего нольтмет
12а °
2 перехода сигнала 1 через заданный пороговый уровень U< соответствующий выбранному значению сигнала 1; .результирующий сигнал 6 сравнения;
5 сигналы 7 дискриминации, соответствующие переходам сигнала 1 через измененный относительно Uo пороговый уровень U< при определении величины и знака производной сигнала 1 в точке А, сигналы 8 дискриминации, соответствующие переходам сигнапа
1 через изменяемый относительно О, и зафиксированный пороговый уровень
Ц ц, дополнительно сформированную
15 вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9; сигналы 10, полученные синхронизацией сигналов
8 последовательностью сигналов 9; последовательность сигналов 11, ил20 люстрирующую действительные моменты дискретизации суммы испытательных сигналов 3, точки А, Б перехода сигнала 1 через пороговый уровень
11„, в которых производная имеет разную величину и знак, среднее значение В сигнала 2; точку Г сигнала 3, соответствующую моменту действия сигнала 5, задержанного на
1203699
5 !
55
Т „, задержку Т „ отсчета аналого-цифрового преобразователя, временной интервал межцу сигналами 5 и 7, время Тпр преобразования испытуемого аналого-цифрового преобразователя, период следования Т сигнала 1.
На схеме устройства (фиг.2) показаны блок 12 формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала; блок 13 формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала, аналоговый сумматор 14, испытуемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15; цифровой блок 16 сравнения кодов, блок 17 задания кодов, цифровой интегрирующий вольтметр 18; блок 19 задания пороговых уровней; блок 20 фиксации порогового уровня, блок 21 компараторов, измеритель
22 временного интервала, синхронизируемый генератор 23 импульсов, первая 24 и вторая 25 выходные шины и входная шина 26.
В качестве блока 12 может быть использован любой генератор периодического сигнала со стабильной частотой повторения и произвольной формы.
В качестве блока 13 может быть использован, как и в известном устройстве, аналоговый интегратор напряжений, управляемый биполярным коммутатором напряжений, управляющий вход которого является входом блока 13.
В качестве блока 17 используется блок, аналогичный блоку задания кодов в известном устройстве, содержащий дополнительный триггер (разряд) регистра записи кодов, выход которого является дополнительным выходом блока 17. В качестве блока 21 использованы три (согласно числу уров.ней !о, 1п ; !-1та п ) одинаковых компаратора, суммирующие входы которых соединены вместе и являются входом блока 21. Вычитающие входы первого и второго компараторов соединены непосредственно с первым и вторым выходами блока 19, а вычитающий вход третьего компаратора через блок 20 соединен с третьим выходом блока 19.
Вычитающие входы компараторов являются соответственно первым, вторым и третьим управляющими входами блока
21, а выходы его являются выходами соответствующих компараторов. В качестве синхронизируемого генератора
,23 импульсов использован генератор с внешним запуском.
Реализация предлагаемого способа производится следующим образом.
Формируют быстро изменяющийся сигнал 1 (фиг.1), необходимыми и достаточными условиями для которого являются периодичность и долговременная стабильность частоты f,= 1/т,, Формируют сигнал 2, постоянная времени изменения которого за время его изменения в пределах между двумя рядом выбранными точками характеристики преобразования (кванта), задается равной времени формирования не менее, чем нескольких десятков периодов сигнала 1.
Сумму 3 сигналов 1 и 2 подают на вход испытуемого AIlJI ° Одновременно с суммированием сигналов 1 и 2 формируют сигнал 5, который может соответствовать любому выбранному значению сигнала 1. Для простоты рассмотрения на фиг.1 показан пороговый уровень ОО,. равный нулю и соответствующий нулевым значениям сигнала 1 в точках А и Б, а также показан сигнал 5, точно (без задержки) соответствующий точке А сигнала
1, где производная имеет положительный знак, но ее величина не известна, так как форма сигнала 1 отличная от синусоицальной, хотя ее среднее значение равно нулю.
Выходной сигнал испытуемого объекта, представляющий текущий результат аналого-цифрового преобразования сигнала 3, в моменты действия сигналов 5, сравнивают с опорным сигналом 4, равным заданному пороговому уровню Uo =О. При сравнении текущий результат аналого-цифрового преобразования сигнала 3, равный мгновенному значению сигнала 3 в момент действия сигнала 5 (фиг.1), представляется цифровым кодированным сигналом с соответствующим численным значением. Опорный сигнал 4, равный нулю, представляется также цифровым сигналом, с численным значением равным 0 =0, т.е. с нулевым . кодом во всех разрядах.
Посредством результирующего сигнала 6 сравнения опорного сигнала 4 и текущего результата преобразования сигнала 3, формируют сигнал 2 следующим образом. Если результат аналого-цифрового преобразования сигнала 3 в момент действия сигнала
5 равен сигналу 4, то сигнал 6 из! меняется из состояния низкого уров5 12036 ня в состояние высокого, в результате чего сигнал 2 начинает нарастать.
Если результат преобразования сигнала 3 больше сигнала 4, то сигнал
6 изменяется в состояние низкого уровня, а сигнал 2 начинает спадать. Описанный процесс многократно повторяется, при этом сигнал 2 колеблется относительно заданного опорного сигнала 4, равного в рассматриваемом случае заданному пороговому уровню 1о
В соответствии со способом при сравнении измеряют среднее значение сигнала 2. Поскольку сигнал 4 установлен равным U0=0 среднее значение сигнала 2 численно также должно быть равно 0 =0, Отличие его от величины Ц,=О тем меньше, чем точнее выполняется равенство между мгновенными значениями сигналов
3 и 4, сравниваемь|ми в моменты действия сигналов 5.
Поскольку реальный испытуемый
АЦП имеет задеРжкУ отсчета Тд@п, . 25 величина которой заранее точно не известна, то действительное значение сигнала 3 соответствует точке Г, которая определяется моментом действия сигнала 5, задержанного на Та к.
Из-за различия между значениями сигнала 3 в точках А и Г формируется сигнал 2, среднее значение которого отличается от нулевого на величину различия значений сигнала 3 в точ35 ках А и Г.
Затем согласно способу изменяют величину порогового уровня сигналов дискриминации относительно заданного порогового уровня 0,=0 до величин 4О
Up . В результате происходит формирование сигналов 7, соответствующих переходам сигнала 1 чере= пороговый уровень 0„ . По величине временного интервала 1., по величине и знаку отклонения уровня 0ь от 0 определяют величину и знак производной в точке перехода сигнала 1 черезэаданный пороговый уровень Оо . При этом для формализации определения величины и знака производной принии, мается, что. L> имеет условно отрицательный знак, если сигнал 5 задержан относительно сигнала 7, и положительный, если сигнал 7 задержан относительно сигнала 5. Величины пороговых уровней Uh u Uo алгебраически вычитаются с их знаками, а
99 6 величина и знак производной определяется, как Ис11 -L1„ 4й. и для точки А(фиг. 1) равна с)ЦЦ --U„-Q(- „=уф °
Величина изменений порогового уровня U> относительно U ограничивается допустимой методической погрешностью линейной аппроксимации сигнала 1 в точке А. С учетом указанного формального правила определение величины и знака производной может быть произведено в любой точке сигнала 1, например Б.
При дальнейшем изменении порогового уровня фиксируют его измененную величину0т при равенстве измерена п ного среднего значения В сигнала 2 величине заданного порогового уровня
Ц, . Зафиксированной величине Uldgll соответствуют сигналы 8, которые опережают по времени сигналы 5 на величину Т р . При этом-действительные моменты сравнения результата преобразования сигнала 3 с опорным сигналом 4, равным заданному уровню
U> =0, точно соответствуют точкам
А сигнала 1, значение сигнала 1 в которых равно (10, а величина и знак производной определены.
В соответствии со способом одновременно с фиксациейОГ„ц„ формируют вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9, период повторения которых должен быть большим ипи равным Т р и кратным периоду сигнала 1. Синхронизируют сигналы 9 с сигналами 8. В результате синхронизации добиваются периодического совпадения одного из сигналов 9 с сигналами 8 и получают сигналы 10 °
Таким образом обеспечивается точная привязка .по фазе сигналов 10 с сигналами 8 и сигналом 3, т.е. становится точно известным местоположение любого иэ сигналов 10 относительно сигнала 3 °
После синхронизации сигналов 9 с сигналами 8 дискретиэируют сигнал
3 посредством сигналов 10, используемых для стробирования испытуемого
АЦП, В результате выполнения рассмотренных операций способа действительные моменты дискретизации сигнала 3 соответствуют сигналам 11, в моменты сравнения выходного сигнала испытуемого объекта с опорным соответствуют сигналам 5. Поскольку сигналы 11 (фиг.1) соответствуют различным значениям сигнала 3 в пре1203699
10
20
55 делах периода сигналов 5, а сигналы
5 всегда соответствуют одним и тем же значениям сигнала 3 в точке А,то с учетом известной величины — знака производной в точке А и периода Т„ сигналов 11 — имеет место соответствие точно известных условий испытаний измеряемой динамической характеристике преобразования. Одновременно с фактической дискретизацией сигнала 3 в моменты действия сигналов
11 сравнивают, фактически в моменты действия сигналов 5, выходные сигналы испытуемого АЦП с опорными сигналами 4, соответствующими выбранным точкам его характеристики преобразования.Таким образом,при ее измерении обеспечиваются реальные условия испытуемого объекта с учетом влияния как величины и знака производной, так и переходных процессов установления в нем при преобразовании разных значений сигнала 3.
Влияние этих факторов при формировании сигнала 2 приводит к отклонениям средних значений сигнала 2 от опорных сигналов 4, соответствующих выбранным точкам характеристики преобразования. Отклонения связаны с тем, что значения результата преобразования сигнала 3 в точках
А в моменты сравнения отличают от действительных значений из-за неспособности испытуемого преобразователя правильно реагировать во всех точках характеристики преобразования на заданную величину (знак) производной испытательного сигнала
3 при стробировании АЦП с заданным
Тд) °
Выбирая частоту и амплитуду сигнала 1, а также период повторения
T„p сигналов 9, можно в широких пределах варьировать исходные условия измерения динамических характеристик преобразования, соответствующих значениям этих параметров. При этом задавая все или только выбранные точки характеристики посредством задания соответствующих опорных сигналов 4 по отклонениям от них средних значений, сформированных в процессе измерений сигналов 2, можно судить о всей или отдельных участках динамической характеристике преобразования, контролируя появление отклонений, равных или больших допустимым.
Устройство работает следующим образом.
Выходной сигнал блока 12 поступает на сумматор 14 вместе с сигналом 2 с выхода блока 13. Суммарный сигнал 3 с выхода сумматора 14 подается на вход испытуемого АЦП 15. Одновременно выходной сигнал 1 блока 12 подается на вход блока 21, С выхода блока 19, который представляет источник стабильных напряжений, задаются пороговые уровни, соответствующие U<, U и и Uy q
Величины U u U задаются постоянными, а пороговый уровень на третьем выходе изменяется до фиксации величины0 „ посредством блока 20, представляющего любой фиксируемый регулятор напряжений, например градуированный потенциометр, положение которого фиксируется оператором при изменении уровня напряжения. Импульсные сигналы 5 и 7 с первого и второго выходов блока 21 поступают на входы измерителя 22 временного интервала, а с третьего выхода сигналы 8 поступают на вход синхронизируемого генератора 23. При логическом сигнале с низким уровнем (логический О ), поступающим на вход управления генератора 23 с выхода блока 17, синхронизируемый генератор выключен и импульсные сигналы с третьего выхода измерителя 22 проходят через генератор 23 на входы стробирования АЦЛ 15 и блока 16 сравнения.
Ha xone Hc . h T e o AI(II 15 действует при этом суммарный сигнал 3 (фиг.1). В моменты стробирования
АЦП 15 мгновенное значение напряжения сигнала 3 на его входе равно текущему значению напряжения сигнала
2 на выходе блока 13. Пусть на вход блока 16 с выхода блока 17 задан код, численно равный 0 . Если выходной код АЦП 15, полученный при стробировании, равен при сравнении коду с выхода блока 17, то результирующий сигнал 6 с выхода блока 16 .управляет блоком 13 таким образом, что выходное напряжение блока 13 начинает возрастать, Когда оно достигает значения, при котором, выходной код испытуемого АЦП 15 превьнпает код, установленный в блоке 17, выходной сигнал 6 блока 16 управляет с блоком 13 так, что напряжение на его выходе начинает уменьшаться.
Изменяя Величину порогового уровня на третьем входе блока 21, сдвигают по фазе импульсы на третьем выходе блока 21 относительно сигналов с выхода блока 12. При этом измеряют среднее значение напряжения а выходе блока 13 с помощью цифрового интегрирующего Вольтметра 18.
Когда измеренное среднее значение напряжения сигнала 2 на выходе блока 13 становится равно установленному- с блока 19 Ia первом входе блока 21 уровню напряжения U, фиксируют уровень напряже— ния на третьем Входе блока 21 при
ПОмОЩи блока 20. ПОсле фиксации "(ад<< на третьем Выходе блока 21 <оорм((руются импульсы 8 фиг о 1 ) 1 ОчнО определяющие р езультат преобразоВания АЦП 15 ifoJI Янин зад еpi1o :- (От<< l i= < ñ 1 (1ц,<<, В -JIH чину п(сиз Водной си(HHJ(
- ОГ- UB (ф((г. )) Hñ-. l(ci3»OÌ И Втором выхода<к блока 19 H Dpo("(<-нному интервалу (.A из(«еряе((с&(у измерителем 22 време(;и<(го интсрвana.. При этом величины — 11<, и 0„ а((гебраически вычитаются с их знаками. а для л условно принимается отрицательный знак, если сигнал 5 задержан стносительно сигнала ", и При изменении логического сигнала на управляющем входе синхронизируемого генератора 23 в состояние с высоким уровнем (логическая 1 ) происходит его включение в автоколебательный режим, При этом генератор 23 синхронизируется импульсами 203699 ЗО Зг 4„ 8, работая с собственным периодом повторения импульсов 9 — T() вы()Р бранным кратным периоду Тс повторения импульсов 8. На первом выходе генератора 23, подключенном к входу стробирования АЦП 15, действуют импульсы 10, а на втором выходе, lloäêëþ÷åííîì к входу стробирования блока 16, — импульсы 8. В результате обеспечивается стробирование испытуемого АЦП 15 в моменты времени (импульсы 11, фиг.1), соответствующие различным значениям напряжения сигнала 3 на вь(ходе сумматора 14. Одновременно обеспечиваетс» управление формиро(занием сигнала 2 на выходе блока 13 только в моменты сравнений (сигнал 5, фиг.1), когда мгновенные значения напряжения на выходе блока 13 должны быть равны мгновенным значениям напряжения на Входе испытуемого АЦП !5. Среднее значение выходного напряжения блока 13 измеряется в течение большого числа циклов его изменения цифровым интегрирующим вольтметром 18. Цифровой результат измерения соответствует границе перехода от одного кванта к другому на характеристике преобразования испытуемого АЦП 15. Отклонение цифрового результата измерения (среднее значение В) от кода (опорного сигнала 4, фиг.1), задаваемого с первого выхода блока 17 на второй вход блока 16, характеризует погрешность динамической характеристики преобразования в этой точке. Погрешность гочно соответствует определенной величине и знаку производной и заданному Т«р . После регистрации оператором результата измерений в блоке 17 задания кодов устанавливают код, соответствующий значению следующей точки измеряемой характеристики преобразования. Измерения повторяются при неизменных значениях кода на в гором выходе блока 17, пороговых уровнях напряжений U, U«,0тд,ц на входах блока 21 и неизменной величин<в ТпР до получения полной информации о всех точках характеристики преобразования испытуемого АЦП. 1203699 Фиг, 2 ВНИИПИ Заказ 8430/61 Тираж 871 Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4
