Способ измерения параметров динамической характеристики аналого-цифровых преобразователей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения параметров. Цель достигается благодаря управлению формированием тактовых сигналов АЦП посредством вспомогательного медленно изменяющегося сигнала, получаемого при сравнении кодов АЦП и опорного уровня, а также сравнению текущих значений испытательного сигнала с этим вспомогательным сигналом. Обеспечивается автоматическая привязка моментов тактирования АЦП к испытательному сигналу независимо от его частоты и амплитуды и систематических задержек в проверяемом АЦП. Измерение средних значений при разной амплитуде вспомогательного сигнала и определение их разности дает возможность определить фазовый сдвиг и рассчитать параметр динамической характеристики АЦП, не зависящей от вида входного сигнала, т.е. от его формы, частоты и т.д. Таким образом, при одном измерении обеспечивается определение параметра дифференциального нелинейного уравнения, которое полностью определяет поведение АЦП в динамике при любых входных сигналах. Это увеличивает точность измерения параметров динамической характеристики АЦП, поскольку исключает необходимость дополнительного сопоставления параметров характеристики, измеренных на разных частотах. Точность измерения в предлагаемом способе может быть дополнительно повышена путем измерения k параметров на k частотах испытательного сигнала за счет уточнения описания поведения АЦП в динамике . Предлагаемое устройство обеспечивает измерение параметров динамической характеристики АЦП, не зависящих от параметров преобразуемого сигнала, исключает накопление погрешностей при суммировании испытательных сигналов, измерение величины и знака производной, множественных измерений во всех точках динамической характеристики АЦП. Это достигается за счет введения дополнительных блоков: управляемого делителя напряжений , генератора пилообразного сигнала , вычислительного блока и предлагаемого соединения этих блоков. 2 ил. Ј (Л С5 00 | ND 4ь

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1631724 (51)5 Н 03 M 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H Д ВТОРСКОЬГК СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1Ь

С Э 3

К)

4 °

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4603657/24 (22) 09. 11. 88 (46) 28. 02. 91. Бюл. N - 8 (71) Институт электроники и вычислительной техники АН ЛатвССР (72) В.Я.Загурский и Н,Я.Семенова (53) 681.325 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1302431, кл. Н 03 M 1/ 10, 1987.

Авторское свидетельство СССР

У 1203699, кл. Н 03 M 1/10, 1986 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАР)Й1ЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНАЛОГОЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И УСТРОЙ СТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к цифровой измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения параметров. Цель достигается благодаря управлению формированием тактовых сигналов АЦП посредством вспомогательного медленно изменяющегося сигнала, получаемого при сравнении кодов АЦП и опорного уровня, а также сравнению текущих значений испытательного сигнала с этим вспомогательным сигналом. Обеспечивается автоматическая привязка моментов тактирования,АЦП к испытательному сигналу независимо от его частоты и амплитуды и систематических задержек в проверяемом АЦП. Измерение средних значений при разйой амплитуде вспомогательного сигнала и определение их разности дает возможность определить фазовый сдвиг и рассчитать параметр динамической характеристики

АЦП, не зависящей от вида входного сигнала, т.е. от его формы, частоты и т.д. Таким образом, при одном измерении обеспечивается определение параметра дифференциального нелинейного уравнения, которое полностью определяет поведение АЦП в динамике при любых входных сигналах, Это увеличивает точность измерения параметров динамической характеристики,ALUI поскольку исключает необходимость дополнительного сопоставления параметров характеристики, измеренных на разных частотах. Точность измерения в предлагаемом способе может быть дополнительно повышена путем измерения k параметров za k частотах испытательного сигнала за счет уточнения описания поведения АЦП в динамике. Предлагаемое устройство обеспечивает измерение параметров динамической характеристики АЦП, не зависящих от параметров преобразуемого сигнала, исключает накопление погрешностей при суммировании испытательных сигналов, измерение величины и знака производной, множественных измерений во всех точках динамической характеристики АЦП, Это достигается за счет введения дополнительных блоков: управляемого делителя напряжений, генератора пилообразного сигнала, вычислительного блока и предлагаемого соединения этих блоков, 2 ил.

1631 724

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть исг|ольэовано для измерения парамет— ров динамических характеристик ана5 лого-цифровых преобразователей (АЦП) высокой точности и быстродействия при их метрологической аттестации в динамическом режиме, а также в сетевых измерительных системах и автоматических сетях.

Цель изобретения — повьппение точности измерения параметров, На фиг.1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие способ1 на фиг.2 — функциональная схема устройства для реализации способа.

На фиг.1 показаны: 1 — периодический испытательный сигнал", 2 . — этот же сигнал с уменьшенной амплитудой; 20

3 — заданный опорный уровень, в конкретном случае равный нулю, 4 — производный от сигнала 1 пилообразный сигнал, который формируется в моменты перехода сигнала 1 через опорный 25 уровень 3 S — вспомогательный медленно изменяющийся сигнал управления формированием тактовых сигналов при действии испытательного сигнала 1, 6 — среднее значение сигнала 5; 7 вспомогательный медленно изменяющий— ся сигнал угравления формированием тактовых сигналов при действии испытательного сигнала 2, 8 — среднее значение сигнала 7, 9 — сигналы, соответствующие действительным моментам преобразования испытуемым АЦП сигнала 1 в точке А (снлошная линия) и сигнала 2 в точке Б (пунктирная линия), 10 — сигнал тактирования, 40 сформированный при сравнении сигнала 7 с сигналом 4, 11 — сигнал тактирования, сформированный при срав— ненни сигнала 5 с сигналом 4, бУ

= I У вЂ” У i — амплитудная погрешность 45 ( преобразования испытуемого АЦП в точке А при действии сигнала 1, У значение преобразованного аналогоцифровым преобразователем сигнала 2 в точке А, Y< — значение преобразо-! ванного аналого-цифровым пр ео бра зователем сигнала 1 в точке Л, 5S — разность средних значений 6 и S сигна лов 5 и 7 соответственно, gt — систематическая задержка сигналов 10 и 11 тактирования в испытуемом аналого-цифровом преобразователе, ц ф— величина фазового сдвига, обусловленного. работой аналого-цифрового преобразователя в динамике при преобразовании сигнала 1, Т вЂ” период следования сигналов 1, 2.и 4", (— частота их следования, g — угол наклона сигнала 4 по отношению к опорному уровню 3.

Устройство содержит генератор 12 испытательного сигнала, управляемый делитель 13 напряжения, испытуемый

АЦП 14, блок 15 цифрового сравнения кодов, блок 16 задания кодов, генератор 17 пилообразного сигнала, компаратор 18, блок 19 формирования медленно изменяющегося сигнала, цифро— вой интегрирующий вольтметр 20, вычислительный блок 21.

Реализация способа предусматривает поочередную подачу на вход испытуемого АЦП испытательного сигнала 1 с уменьшенной амплитудой (сигнал 2) и увеличенной амплитудой (сигнал 1).

Это обусловлено тем, что малая ампли— туда сигнала 2 имитирует квазистатический режим работы АЦП, сохраняя условия автоматической привязки к сигналу 1 при формировании тактовых сигналов в обоих случаях, причем чем больше разница амплитуд, тем лучше проявляется влияние увеличения скорости изменения сигнала в точке А на динамику испытуемого АЦП. Практически, если частота (сигнала 1 выбрана близкой к верхней частоте спектра преобразуемых АЦП сигналов, то величина амплитуды сигнала 2 выбирается равной 5-107. динамического диапазона преобразования AIJJI, а величина сигнала 1 выбирается равной половине или полному значению диапазона. Разбросы выбора частоты f и амплитуды сигнала 2 в пределах 20 †3 существенного влияния не имеют.

Реализация способа производится следующим образом.

При действии входного периодического сигнала 2 формируют тактовые сигналы со стабильной частотой =1/T следования, соответствующей часготе следования сигнала 1 в моменты его перехода через опорный уровень 3, например в точках А.

При формировании тактовых сигналов 10 сравнивают значения сигнала 4 с вспомогательным сигналом 7 управления формированием тактовых сигналов, который в исходном состоянии равен нулю. Одновременно со сравнением подают на вход испытуемого AlgI

16 1724

55 сигнал 2, соответ твуюший умекьшенкому по амплитуде сигналу 1, B ре— зультате преобразования испытуемым

АЦП сигнала 2 под действием сформированных тактовых сигналов 10 на его выходе формируется код, пропорциональный значению У входного сигнала 1, Цанный код сравнивают с кодом опорного уровня 3 в моменты действия сигналов 9 (сплошная линия). В результате этого сравнения формируют вспомогательный сигнал 7 управления формированием тактовых сигналов 10 следующим образом. Если код, соответствующий результату аналого-цифрового преобразования в момент действия сигнала 9 (сплошная линия на фиг,1) меньше или равен коду опорного уровня 3, то сигнал 7 нарастает по величине, если код результата преобра " зования больше кода опорного уровня 3, то сигнал 7 спадает по величине.

Описанный процесс многократно повторяется, после чего сигнал 7 окончательно устанавливается относительно его среднего значечия 8. а сформированные сигналы 10 и 9 займут 1-;G ложение, показанное на фиг. 1. Постоянная времени изменения сигнала 7 такова, что время изменения его по величине на цену кванта младшего paçряда испытуемого АЦП равно времени нескольких десятков периодов следования сигнала 4.

Поскольку реальный испытуемый АЦП имеет систематическую задержку отсчета Д, величина которой заранее не известна, то управление формированием тактовых сигналов по результатам сравнения кодов осуществляется таким образом, что среднее значение 8 сигнала 7 изменяется до тех пор, пока формируемый тактовый .иг— нал не сдвинется на Д по отношению к точке А.

В частности, согласно фиг.1 изменения срецнего значения 8 сигнала

7 происходят так, чтобы в моменты равенства текущего значения сигнала

4 и сигнала 7 формируется тактовый сигнал 10. При этом действительный момент преобразования определяется сигналом 9, показанным сплошной линией, а вспомогательный сигнал 7 незначительно колеблется по отношению к своему среднему значению 8, поскольку код испытуемого АЦП, соот5

10 !

2С

35 ветствующий значению У, сигнала 1 в точке А, изменяется от кода уровня 3 к коду, большему его на единицу младшего разряда, и наоборот, Согласно способу измеряют среднее значение 8 сигнала 7, а затем увеличивают амплитуду сигнала 2 до величины сигнала 1.

В частности, из-за того, что крутизна сигнала 1 в точке А превышает

4 в этом случае допустимую скорость изменения входного сигнала для испытуемого АЦП, код преобразуемого значения Y сигнала t в точке А стай новится меньше кода значения У, равкого коду опорного уровня 3, появляемся амплитудная погрешность ДУ или

АЦП "не успевает" правильно преобразовать сигнал 1 в точке А.

С этого момента в результате сравнения кода, пропорционального преобразованному АЦП значению Y сигнала

1 в точке А, с кодом опорного уровня

3 формируется аналогично описанному новый вспомогBTEJIbHbtA сигнал 5, Koto» рый сравнивают с текущим значением сигнала 4. В результате сравнения формируют тактовые сигналы 11.

При формировании сигнала 5 происходит фазовый сдвиг на Ч1 тактовых сигналов 11 относительно сигналов 10, Сдвиг устанавливается после окончания формирования сигнала 5 и стабилизации его среднего значения 6. Стабилизация среднего значекия 6 соответствует положению, когда при преобразовании испытуемым AI111 сигнала 1 в точке Б на его выходе вновь появляется код, соответствующий коду нулевого уровня 3. При этом среднее значение 6 сигнала 5 таково, что при равенс.тве сигнала 5 с текущим значением сигнала 4 формируется тактовый сигнал 11, сдвинутый на Л(по отношению к сигналу 10 так, что действительный момент преобразования, опредеI ляемый сигналом 9 (пунктир на фиг.1), соответствует преобразованию значения сигнала 1 в точке Б. Очевидно, что это значение будет таково, что можно скомпенсировать погрешность Д( и сделать ее равной нулю, Согласно способу измеряют среднее значение 6 сигнала 5 и по разности средних значений ДБ определяют вели» чину фазового сдвига из очередного соотношения

Ь(= Ь 8 tg g „ (1) 1631 724

Покажем, что параметр а динамической характеристики АЦП определяется по формуле а tg Я/2hf, а динамика работы АЦП при преобразовании любых сигналов описывается системой уравнений:

f а„Z (t) + Z(t) = x(t)

Y(t) = fl(z(t) ), где x(t) — произвольный входной сигнал АЦП, Y(t) — выходной сигнал АЦП;

Y=S(Z) — статическая характеристика преобразования АЦП.

10 тотах.

При этом параметры динамической характеристики определяются из системы уравнений

Р1 ,О (-1) à, <,

1 =о „

-ацЦ) " (-1) а „ Я, = 0

Д, гце i = 1...,, k, () ° = 2 п f — частоты периодичес) 1 кого испытательного сигнала

Я вЂ” величина фазового сдвига - ) тактовых импульсов, соответствующая частоте 1, k/2 — целая часть от частного чисел k и 2, тогда динамика работы АЦП будет описываться системой уравнений

ЗО

< a Z((t)+a, Z (t)+...+а,,Z (t)+Z(t)x(t)

Y I1 (Z) .

Очевидно, что во всех случаях описания динамических свойств АЦП параметры а, (i = 0,1... °, k-1) не зависят от преобразуемых сигналов, что увеличивает точность описания работы

АЦП в целом.

Выбор частот (1, осуществляется таким образом, чтобы была охвачена область определения верхней частоты спектра преобразуемых АЦП сигналов, а также области середины частотного диапазона и граничных частот, Устройствб работает следующим образом.

Выходной сигнал 1 с генератора 12 поступает на вход генератора 17 пилообразного сигнала 4 и на аналогоВ общем случае для повышения точности измеряют k параметров динамической характеристики АЦП на k час- 20 вый вход. управляемого целителя 13 напряжения. Поскольку в исходном состоянии на всех выходах блока 16 задания кодов был нулевой код, то на управляющем цифровом входе управляемого делителя 13 отсутствует сигнал управления, в результате в блоке 13 установлен максимальный коэффициент деления и на его выходе действует сигнал 2 (фиг. 1) уменьшенной амплитуды, который поступает на вход

АЦП 14.

Одновременно с этим происходит сравнение сигнала 4 с выхода гене— ратора 17 пилообразного сигнала с медленно изменяющимся сигналом 7 (фиг,1) с выхода блока 19. Сравнение реали— зуется посрецством аналогового компаратора 18, в результате чего на его выходе формируется тактовый сигнал 10, который поступает на входы тактирования АЦП 14 и блока 15 цифрового сравнения кодов.

На выходе испытуемого АЦП 14 в

MoMpHTbl TBKTHpoBBHHB формируется код, пропорциональный значению У сигнала

2 в точке А (фиг, l). Этот код сравнивается в момент тактирования с нулевым кодом с второго выхода блока 16 задания кодов, E результате, если выходной код АЦП 14 меньше или равен при сравнении коду с выхода блока 16 то сигнал с его выхода управляет блоком 19 таким образом, что выходное напряжение на выходе блока 19 возрастает. Когда оно достигнет значения, при котором выходчой код АЦН 14 превысит код с выхода блока 16, выходной сигнал блока 15 управляет блоком 19 так, что напряжение на его выходе начинает уменьшаться. При этом среднее значение .- :апряжения (сигнал 8, фиг. 1) с выхода блока 19 автоматически устанавливается таким, чтобы тактовые импульсы формировались с учетом систематической задержки Qt (фиг. 1) испытуемого AUJI 14. B результате действительные моменты преобразования соответствуют точке А, а управление формированием напряжения на выходе блока 19 (сигнал 7, фиг. 1) обеспечивается только в моменты (сигнал 9, фиг,1}, когда мгновенные значения напряжения на входе

АЦП 14 равны значениям опорного уровня.

Среднее значение напряжения на выходе блока 19 измеряется цифровым

163 724

10.интегрирующим вольтметром 20, с вы хода которого цифровой код поступает в зычислительный блок 21, После окончания цикла измерения вольтмет5 ром 20 в блоке 16 задают нулевой код опорного уровня и единичный код выходов управления. При этом в управ— ляемом делителе 13 устанавливается меньший коэффициент деления. Это определяется тем, что управляющий сигнал с выхода блока 16 действует по управляющему входу делителя 13, в результате устанавливается максимальный коэффициент передачи н делителе

13 и на его выходе появляется сигнал 1 (фиг. 1) большей амплитуды, который постугает на вход АЦП 14.

Одновременно с этим сигналом с третьего выхода бпока 16 производится подготовка блока 21 к вычислениям согласно соотношениям (1) и (2).

При этом производится запись н блок

21 цифрового кода, ранее измеренного среднего значения 8 сигнала 7 с вы- 25 хода цифрового вольтметра 20.

При преобразовании сигнала 1 про— исходит формирование нового сигнала 5 (фиг. 1) в блоке 19 в резулыате сравнения кода АЦП 14 и нулевого кода с 30 второго вь,хода блока 16 н блоке l5 цифрового сравнения кодов. Формируемый сигнал 5 изменяется так, что в результате его сравнечия с сигда.пом 4 с выхода генератора 17 форми— руются тактовые сигналы 11, сдвинутые относительно тактовых сигналов l0 предыдущего цикла формирования на Ь . Среднее значение 6 сигнала 5 измеряется цифровым вольтметром 20 gp и записывается в вычислитепьный блок

21, где производится определение ве— личины hgпо разности йЯ средних значений 6 и 8 из соотношения (1) и затем определяется параметр динамической характеристики АЦП по соотношению (2) .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1- 50

1.Способ измерения параметров динамической характеристики аналогоцифровых преобразователей, заключающийся в формировании двух перчодических испытательных сигналов, форми55 ронании тактовых импульсов с частотой следования периодических испытательных сигналов, формировании кода, пропорционального первому испытательгде j

Я =

1 ° ° у k j

2 ГŠ— частоты периодическо3 го испытательного сигнала; величина соответствующего фаному сигналу, и сравнении полученного кода с кодом опорного уровня в . момент поступления тактовых импульсон, формировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения с одновременным измерением его среднего установившегося значения, которое запоминают в конце цикла измерения, а затем используют для вычисления параметра динамической характеристики, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения параметров одно7 временно с формированием двух периодических испытательных сигналон формируют вспомогательный сигнал пилообразной формы, при этом в первом цикле измерения в качестве первого периодического испытательного сигнала используют сигнал с амплитудой, соответствующей 5-107,от динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя, во втором цикле измерения в качестве второго Периодического испытательного сигнала используют первый периодический испытательный сигнал с амплитудой, равной динамическому диапазону аналогоцифрового преобразователя, а формирование тактовых импульсов в каждом цикле измерения осуществляют в мо— мент равенства соответствующего медленно изменяющегося сигнала и вспомогательного сигнала, после окончания второго цикла измерения по разности измеренных для каждого цикла средних значений медленно изменяющихся сигналон определяют величину фазового сдвига тактовых импульсов и запоминают ее, причем первый и второй циклы измерения повторяют для k частот первого и второго периодических испытательных сигналов с определением и последующим запоминанием соответствующих величин фазовых сдвигов, а параметры динамической характеристики определяют из системы линейных уравнений относительно коэффициентов а„

Cl yg ,.0 (-1) а, Сд

i=0 — ega (-1) а1, > Сд = 0

;=о зового сдвига тактовых импульсов, с оо тветс т вующая частоте

2. устройство для измерения параметров динамической характеристики аналого-цифровых преобразователей, содержащее генератор испытательного сигнала, компаратор, блок формирова- g ния медленно изменяющегося сигнала, выход которого подключен к входу цифрового вольтметра, а вход соединен с выходом блока цифрового сравнения кодов, первый вход которого яв- 15 ляется входной шиной устройства, а второй вход соединен с первым выходом блока задания кодов, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения. параметров, щ введены генератор пилообразного сигнала, управляемый делитель напряжения

t и вычислительный блок, ;:..вчем выход генератора испытательного сигнала подключен к информационному входу управляемого делителя напряжения и входу генератора пилообразного сигнала, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования медленно изменяющегося сигнала, а выход является выходног"; шиной тактовых импульсов и подключен к входу тактирования блока цифрового сравнения кодов, выход управляемого делителя напряжения является ь ":îäной шиной устройства, а управляющий вход соединен с вторым выходoM блока задания кодов„ третий выход которого подключен к управляющему входу вычислительного блока, информационный вход которого соединен с выходом цифрового Во.тьтметра

1631724

Составитель И.Романова

Редактор М. Келемеш Техред П Олийнык

Корректор Л Патай г

Заказ 556 Тираж 456 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101