Способ измерения систематической погрешности аналого цифровых преобразователей

СОЮЗ СОВЕТСНИХ ОЦИА ЛИСТ ИЧЕСНИ СПУБЛИН 09) (11 1)4 Н 03 М 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СР 4 Ь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРВ 494700, кл, Н 03 М /10, 1973.Цифровая информационно-измерительиая техника, Межвузовский Сборникнаучных трудов, Пензенский политехнический институт, 1981, вып,11,стр.106-112,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и можебыть использовано при метрологических испытаниях аналого-цифровых преобразователей и цифровых вольтметров,Изобретение позволяет повысить точность контроля систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путем формированиявходного воздействия суммированиемопорной величины, равной номинальному значению контролируемого уровняквантования АЦП, вспомогательной равномерно распределенной величины икомпенсирующей величины. Последнююполучают усреднением знакового сигнала, определяемого результатом сравнения выходного кода АЦП и контрольного кода за счет того, что усреднение осуществляют с весоМ равным абсолютному значению вспомогательнойравномерно распределенной величины.1 ил.Весли Ь, а х р(а,5) - опорная величина, равнаяноминальному значениюконтролируемого а-гоуровня квантования АЦП.Из выражения видно, что событие 6а соответствует событию (х + + Ь )0 и наоборот. Нри равенстве вероятностей событий Иа и Ьа выполняется равенство Р(хд ) = Р(хд,1), т,е, компенсирующая величина, представляющая собой оценку дс искомой систематической погреш 1 ЗОИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может бытьиспользовано при метрологических испытаниях АЦП и цифровых вольтметровдля измерения и контроля систематической составляющей их инструментальной погрешности, т.е. погрешностиуровня квантования.Цель изобретения - повышение статистической точности измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП) путемувеличения информативности усредняемых значений.На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующегопредлагаемый способ,Устройство содержит источник 1опорной величины, источник 2 вспомогательной величины, блок 3 суммирования, выпрямитель 4, блок 5 умножения,блок 6 усреднения, блок 7 сравнениякодов (УСК 7), входные 8 и 9, а такжевыходную 10 шины, КонтролируемыйАЦП обозначен на схеме позицией 11,Сущность способа измерения систематической погрешности АЦП заключается в следующем,Направление изменения компенсирующей величины определяется в соответствии с предлагаемым способом текущим соотношением вероятностей, чтоконтрольный код а меньше выходногокода АЦП Р(п ( а) и наоборот Р(Ь ) а)путем использования операций сравнения и усреднения,Действительно, результат Ь АЦ-преобразования можно связать с входнойопорной х , компенсирующей хвеличинами и инструментальной погрешностью следующим образом ЬЕ с (х + х + 0,5 р)+ дь)/р,где р " ступень квантования АЦП;Бс 1- символ, обозначающий целуючасть; 0634 2ности ь АЦП, равна по модулю и. противоположная по знаку медиане инструментальной погрешности д , а значит, при симметричном распределениид, и ее среднему значению ь,Операция сравнения выходного кода6 АЦП с контрольным кодом а математически однозначно описывается с помощью знаковой функции10 Ь (Ь; - а)-В если и, ( а 15 где 5() - символ знаковой функции В - установленное значение знакового сигнала г, определяемого результатом сравнения кода Ь и а, 20Известный способ предполагает усреднение непосредственно знакового сигнала г/С/, При этом в зависимости от способа реализации операции усреднения будет равнох(с) = (1/Т) г(с)дсо(1/а) Е г где 1-номер такта преобра - 30эования контролируемого АЦП, Диапазон изменения вспомогательной равномерно распределенной величины П ь всоответствии с известным должен перекрывать диапазон изменения инстру ментальной погрешности АЦП д. Другими словами /Ьь/ ах А/д /гиххэначенйя величины О, погрешностид соответственно.40 Учитывая также, что величина хвыражена фактически в долях В и чтодиапазон ее изменения должен охватывать диапазон изменения д , значениеамплитуды В целесообразно выбирать 45 равным А. Этими условиями и определяются конкретные значения параметров А и В. Предлагаемый способ предполагает 50 усреднение произведения значениясигнала Е и абсолютных значений величины П , При этом операция перемножения в данном случае эквивалентна операции присвоения знака "+" или 55 -" значениям /Ьь/ в зависимости отзнака разности /Ь"а/, реализуемая, например, с помощью управляемого инвертора, Поэтому сигнал г является фактически сигналом управления, а1 ЗО 063его амплитудное значение В должновыбираться из соображения обеспечения условий управляемости процессоминвертирования значений /Оь/, т,е.из соображений, определяемых конк ре тнойаппаратной реализацией этой операции.Учитывая приведенное выражениедля кода е, можно утверждать, что5/Ь-а/ = 5 ( а + х + О ), Поэтому, для обесйечения возможности выравнивания вероятностей Р(6а)и Р(Ь ( а) путем изменения компенсирующей величины хзнак ее приращения ьхдолжен быть противоположензнаку разности /Ь-а/ т.е, ах-5(Ь-а), Таким образом, для обеспечения отрицательной обратной связи и компенсации Ас с помощью х= йссигнал 2 должен быть сформированв соответствии с правилом 2=-5 (Ь-а) ОПрименение равномерно распределеннойвспомогательной величины и, имеющейту же физическую природу, что и величина х , при формировании входноговоздействия на контролируемые АЦП 25не изменяет в силу симметричности еезакона распределения, соотношениевероятностей Р(Ьа) и Р(Ь ( а),Можно показать, что математическоеожидание усредняемых значений /О ь/5 (д.+х+ О) равноМ/О /х:ы(у)ду, где и)(у) - плотность вероятности суммы у = а + х, Из приведенного выражения видно, что приращение компенсирующей величины х= а , получаемой в результате усреднения сигнала /О / 5(Ь-а) будетравно нулю тогда, когда компенсирующая величина будет равна со знаком"минус" искомому среднему значениюпогрешности а , т,е, систематической составляющей х к = с . Другимисловами использование веса, равногомодулю /О /, при усреднении знакового сигнала 2"5 (Ь"а) не искажаетискомой оценки ь по сравнению с изсвестным способом. Кроме того, происходит выравнивание и симметрированиеплотности вероятностей значений входного воздействия, что важно дляуменьшения возможной смещеииости ис"комой оценки а из-за отличия некосредственно измеряемой медианы распределения суммы ь + х+ х+ О 1от ее математического ожйдания,Введение в процессе формированиякомпенсирующей величины х операций Зч 4перемножения абсолютных значенийвспомогательной величины О на энаьчения знакового сигнала 2, определяемого результатом сравнения выходногокода АЦП и контрольного кодапозволяет за счет повьппения информативности усредняемых значений существенноповысить эффективность алгоритмаусреднения, а значит и точность искомой оценки, При этом необходимо выполнение условия /а / ,А, гдеА - амплитуда вспомогательной величины ОУвеличение статистической точностив способе объясняется следующим образом, Известный способ и устройство, его реализующие, предполагаютусреднение знакового сигнала 2, принимающего всего лишь два значения+А, -А и имеющего биноминальное распределение, При этом дисперсия Ознаковой оценки систематической погрешности АЦП а равна А /0 гдеобъем выборки, если осуществляется дискретное усреднение,В предлагаемом способе в отличиеот известного реализуется "весовое"усреднение дискового сигнала 2. Усредняемая величина при этом будетиметь эа счет вспомогательной величины О равномерное распределение,дисперсия которого при прочих равныхусловиях (т.е. АВ) заведомо меньше дисперсии биноминального распределения и равна А /ЗЯ, Поэтому приусреднении величины /О /2 дисперсияоценки будет равна О() = А /ЗЦ,т.екак минимум в 3 раза меньше,чем у чисто знаковой оценки,Уменьшение дисперсии ОГа,3 оценки и обуславливает достижение положительного эффекта предлагаемогоспособа по отношению к известномуспособу, увеличение статистическойточности измерения (как раз и характеризуемой как известно дисперсиейоценки) или при заданной точности,уменьшение времени измерения.Устройство реализующее данныйспособ, работает следующим образом,Источник 1 обеспечивает формирование опорной величины х , равнойноминальному значению контролируемого а-го уровня квантования х - "= ц(а,5), где ц - номинальная ступень квантования АЦП 11, Источник 2формирует вспомогательную равномернораепределенную величину Оь, имеющуюнулевое среднее значение и амплитуСоставитель И,РомановаРедактор И.Сегляник Техред А,Кравчук рректор М,П Заказ 1160/56 Тираж 902 ВНИИПИ Государстве по делам изобрет 13035, Москва, Ж, Подписиитета ССС ног ии и открытии аушская наб д.4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г.ужгород,ул,Проектная,4 5 13006 ду, сравнимую с допустимым значением случайной составляюшей инструментальной погрешности ь АЦП 11. С выхода блока 3 суммирования на вход контролируемого преобразователя подается сумма х + 11., Блок 7 сравнения кодов сравнивает текущее "е значение выходного кода АЦП 11 с опорным кодом "а", При этом знак равности /Ь -а/ противоположен знаку 10 суммы= "1 и(а; + О + х, ),15Блок 5 умножения обеспечивает присвоеНие абсолютному значению /О /,поступающей с выхода выпрямителя 4знак "-" при Ь ) а а и "+" - пр6 .( а. Блок 6 усреднения осуществОляет усреднение значений /О,/5(Ь; - а) и подает текущее среднее (-1)-е значение оценки а,(т.)на третий вход блока 3 суммирования.25 формирование сигнала обратной связи ,а (с) на выходе блока 6 усреднения происходит так, чтобы появление исходов Ь ) а и Ь,а (т.е.появление единицы или нуля на выходе блока 7) было равновероятно,34 6Ф о р м у л а и 3 о б р е т е.н и я 1 Способ измерения систематической погрешности аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в том, что на каждом 1-м такте формируют входной сигнал путем суммирования опорного сигналаравного номинальному значению контролируемого уровня квантования, вспомогательного равномерно распределенного сигнала и компенсирующего сигнала, полученного на (1-1)-м такте, формируют код, пропорциональный входному сигналу, осуществляют сравнение полученного кода с опорным кодом и по результату сравнения формируют знаковый сигнал, положительный в случае, когда сформированный код меньше опорного кода,и отрицательный в случае, если сформированный код больше опорного кода, после чего определяют среднее значение знакового сигнала эа 1 тактов, по которому судят о значениикомпенсирующего сигнала на (1+1)-мтакте, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что с целью повышения статистической точности измерения, при формировании знакового сигнала абсолютнуювеличину последнего выбирают равнойтекущему значению вспомогательногоравнополярно распределенного сигнала,