Устройство контроля цифроаналоговых преобразователей

(я)5 Н 03 М 1/10 Я ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Цель изобретения - повышение надежности. Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, первый и второй преобразователи ток - напряжение, выполненные на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи 4 и 5, аналоговые переключатели 6 и 7, вольтметр 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок 10 управления, вспомогательный ЦАП 11, входные шины 12 и выходные шины 13- 15. Введение регулируемого элемента 5 обратной связи второго операционного усилителя 3, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом вспомогательного ЦАП 11 и с вторым неподвижным контактом первого аналогового переключателя 6, позволяет повысить надежность устрой-. ства; 1 ил.10 ральной линейности,20 2530 35 40 45 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля нелинейности прецизионных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с автокоррекцией (см, Хлюстов Г.А. и Берглезов С.М. Структурный метод повышения точности цифроаналогового преобразователя. Сб. Полупроводниковая электроника в технике связи под ред, И.Ф.Николаевского, вып. 27, М.: Радио и связь, 1988, с, 187, рис. 4), содержащий и номинальных источников(НИ), и номинальных корректирующих источников (НКИ), и запоминающих устройств, устройство управления, входной регистр, операционный усилитель с цепями подключения,Недостатком известного устройства является его высокая структурная и алгоритмическая сложность, связанная . с реализацией алгоритма поразрядного уравновешивания,Известно устройство для измерения нелинейности цифроаналоговых преобразователей (см, авт. св, СССР Ф 731584, кл. Н 03 К 13/34), содержащее генератор импульсов, счетчик, опорный ЦАП, блок регулировки опорного ЦАП по крутизне, дифференциальный усилитель и нуль-орган, ключ, пиковые детекторы, инвертор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, контролируемый ЦАП и клеммы подключения контролируемого ЦАП,Алгоритм определения нелинейности ЦАП известного устройства использует следующее свойство: для ЦАП двоичного кода вследствие действия погрешностей отдельных эталонных резисторов реальная характеристика симметрична относительно точкиМмакс/2, расположенной на идеальной характеристике, которая представляет собой прямую линию. А прямая линия, линеаризирующая реальную характеристику наилучшим образом, проходит через ее центр симметрии.Известное устройство обладает ограниченной точностью из-эа наличия погрешности за счет высокого уровня синфазных сигналов на входе дифференциального усилителя.Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения нелинейности ЦАП (см, авт. св. СССР М 1455389, кл, Н 03 М 1/10), представляющее собой по существу самоповеряемцй ЦАП и содержащий основной и вспомогательный токовые цифроаналоговые преобразователи, входы которых соединены с выходом источника опорного напряжения, а входы через переключатели подключены к входам преобразователей ток - напряжение, выходы которых подключены к входам вольтметра,Недостатком известного устройства - прототипа является его недостаточная надежность, связанная с наличием большого количества переключателей, реализующих алгоритм измерения погрешности интегЦелью изобретения является повышение надежности устройства путем сокращения числа элементов коммутации аналогового сигнала.15 На чертеже представлена функциональная схема устройства, Устройство контроля ЦАП содержит источник 1 опорного напряжения, два преобразователя ток - напряжение, выполненные соответственно на операционных усилителях 2 и 3 и элементах обратной связи (резисторах) 4 и 5, два аналоговых переключателя 6 и 7, вольтметр 8, отсчет- но-регистрирующее устройство 9, блок управления 10, вспомогательный ЦАП 11, две входные шины 12 устройство и три выходные шины 13 - 15.При подключении контролируемого ЦАП его аналоговый вход обьединяется с аналоговым входом вспомогательного ЦАП 11, одновременно подключается к выходу источника 1 опорного напряжения и является второй выходной шиной 14 устройства, а первая выходная шина является цифровым входом контролируемого ЦАП и первым информационным выходом блока 10 управления. Вторые информационные выходы блока 10 управления подключены к цифровому входу вспомогательного ЦАП. Первая входная шина 12 подключена к первому аналоговому выходу контролируе мого преобразователя и к подвижному контакту первого аналогового переключателя 6. Первые неподвижные контакты аналоговых переключателей 6 и 7 соединены с общей шиной, вторые неподвижные контакты переключателей 6 и 7 подсоединены к входам преобразователей тока в напряжение (контакт первого переключателя - к входу второго преобразователя тока в напряжение, и наоборот), причем управля ющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 подключены дополнительной шиной к выходам блока 10 управления,Третий выход 15 устройства является выходом первого преобразователя ток - напряжение и подключен к первому аналоговому входу цифрового вольтметра 8, второй аналоговый вход которого соединен с выходом второго преобразователя тока в напря 1777238жение, а цифровой выход вольтметра 8 соединен с входом отсчетно-регистрирующего устройства 9.Устройство контроля ЦАП работает следующим образом и реализует следующий алгоритм измерения,В начальный момент времени с блока 10 управления на управляк щие входы вспомогательного ЦАП 11 и контролируемого ЦАП поступают нулевые значения кодов; й 1=000 и Й 2=000, а на управляющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 - сигналы, устанавливающие нэ вторых выходах . ЦАП нулевой потенциал общей шины. При этом на входы цифрового вольтметра 8 поступает напряжение01(00,0)=Осм 1 и 02(000)=Осм где 01(00.0) - выходной сигнал, преобразованный в напряжение контролируемого ЦАП при сигнале на его цифровом входе й 1=000;02(000) - выходной сигнал, преобразованный в напряжение вспомогательного преобразователя 11 при сигнале на его цифровом входе И 2=000;Осм 1 - напряжение смещения первого операционного усилителя 2;Осм 2 - НаПРЯжЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ ВТОРОГО операционного усилителя 3.При этом вольтметр 8 фиксирует напряжение, равноеЬсм=Осм 1 -Осм 2На втором этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаются подключены к общей шине, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 поступает максимальный код Й 1=111 и Й 2=111. При этом на входы цифрового вольтметра 8 поСтУПаЮт аНаЛОГОВЫЕ СИГНаЛЫ (Огаах 1+Осм 1 ) И (Ощах 2+Осм 2). РЕГУЛИРОВКОЙ ПОДСтРОЕЧНО- го резистора 5 устанавливают нулевое значение выходного напряжения вольтметра 8.(Огаах 1 +Осм 1 ЯОгаах 2 +Осм 2 )=0 (2)Огпах 1, Огаах 2 - максимальные Действительные значения характеристик преобразователей ЦАП при отсутствии смещений операционных усилителей 2 и 3.На третьем этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаются в прежнем положении, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 подается код на включение одного старшего разряда И 1=100 и гч 2=10,0.При этом коды И 1 и М 2 преобразуются в ток и далее в напряжение, поступающее на вход вольтметра 8+ Осм 1 ) Он 2 (Л 1 +Осм 2(3) ГдЕ Он 1 "Он 2 - НОМИНаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ На пряжения при коде преобразованияй 1=й 2=100 на аппроксимирующей прямой:Й - значение нелинейности в серединешкалы для контролируемого ЦАП;10 Л 1 - значение нелинейности в середине шкалы для вспомогательного ЦАП 11.Уравнение (3) для третьего этапа будетпреобразовано к виду(3) 15 д 1 Ь 1-Ь 1-Ьсм 35где й - нелинейность контролируемого ЦАП в точке характеристики, соответствующей двум включенным старшим разрядам.Так кэк ток, поступающий на вход конт ролируемого ЦАП от опорного источника 1,равен сумме токов, поступающих с первого и второго выходов контролируемого ЦАП, то (оп= 1(гч 1)+11(и 1), ада =ьа - модули равной и противоположны по знаку погрешности нелинейности.Поэтому (5) можно представить в виде д 2= Ь й- Ьсм.(6) Нэ следующем, пятом, этапе на контролируемый ЦАП подают код Й 1=11100, соответствующий включению трех старших разрядов, а вспомогательный код МАЙ=1100. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал дз(11100) - 02(1100)+ +01(00011. 1= О н 1 "( й+Осм 1) О н 2 ( Ь 2+Осм 2 + +Он 1- Ьз)= йЬз- Ьсм, (7)Таким образом, увеличивая с каждым последующим этапом количество включаеНа четвертом этапе включают посредст. вом блока 10 управления два старших разряда контролируемого ЦАП, оставляют 20 включенным старший разряд вспомогательного преобразователя 11 и переключают аналоговый переключатель 6 таким образом, что точка подключения инверсного входа второго операционного усилителя 3 25 становится точкой, суммирующей токипервого выхода вспомогательного преобразователя 11 и второго выхода контролируемого ЦАП. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал30О 2=01(1100)-02( 00)+О (00= =Он 1 -( й+Осм 1 )-Он 2 -( Ь 1+Осм 2) + + О 1-й 1 (5) Он 1 =Он 2 +Он 1, 1777238мых разаядов основного преобразователя,получили и уравнений: дп -Ьи- 2 Ьп. Ьсм ГДЕ Он 1+Он 2 =Он 21 а 1 Ьг 1 = 1 йИ ОЕЛИЧИны противополокны по знаку,Раскрыв (9) получим(10) д и+1=Ьг - Ь 1- Ь: По аналогии получили для (и+4)-го этапа,д и+2=2 Й- Й- Ам,а для 2 и-га этапа. д гп=2 Ь - Ь- Ьсм,(1 2) где п - количество разрядов контролируемого и вспомогательного ЦАП,Таким образом уравнения (4), (б) - (8), (10) - (12) образуют систему из 2 пуравнений с 2 п-неизвестными погрешностями локальных иелинейнастей.Данную систему можно дополнить урав- НЕИИЕМ (2) СЧИтая, Чта Омакс 1 =Онмакс Ьп, Омакс 2 =Онмакс - 6 пПодставив эти значения в(2) получим(1 3) Полученная полность 1 о определеннаясистема уравнений легко решается, являясь На (и+3)-м этапе переключатель 6 устанавливают подвижным контактом на шину нулевого потенциала, а переклочатель 7 устанавливают подвижным контактом на соединение с суммирующим входом первого операционного усилителя 2 и процесс повторяют аналогично четвертому (и+2)-му этапам, с той лишь разницей, что управляющие коды саэначением Й 1, поступившие на контролируемый ЦАП, теперь подают на в си ам огател ьн ый п реабраза ватель 11. Та же самое касается кодов Иг с указанным ранее значением, поступавших на вспомогательный преобразователь 11, а с (и+3)-го этапа - на основной.Та есть на (и+3)-м этапе на вход вспомогательного ЦАП 11 с блока 10 управления подают код К 2=11000, а на вход контролируемога ЦАП код И 1=1000.При этом вольтметр 8 регистрирует сигналдп+1=ЕО 1 роо)+Ог(оо 111)1-Ог(1 1 оо)== (ОН 1-(Ь 1+Осм 2)+Он 2" Ь 2 ЯОн 2 -( й+ + Осмг 11 при этом более наглядной, если предварительно преобразована к следующему видуд 1 =(Ь 1- Ь 1) - Ьсмд 2 + дп 4.1 = (Ь 1- Ь 1) + 2 (Ьг - Ьг) - 2 Ьсм дз + д +г = (Й - Ьг) + 2 (Ьз - Ьз) - 2 Ам дп + д 2 п= (Ьи- до) + 2 (Ьп - Лп)- -2 Ьсм(Ьп-Ь )=Ам10ПолагаЯ, что все значениЯ д 1 д д ид 2 п, Ьсм полУчены пУтем. измеРенил наранних этапах, легко определить все локальные нелинейности Ь 1 оснавного и Ь; вспомогательного преобразователей.Решение еще более упрощается, еслисчитать, например, что в процессе сведенияконечных точек преобразователей за полюсотсчета принимается крайняя точка харак 20 теристики одного из преобразователей,например контролируемого. Тогда в уравнении (13) и в последнем уравнении системы(14) Ьп принимается равным нулю.Исследование линейности ЦАП описанным способом базируется на свойстве симметрии двоичных резистивных делителей(см. например, описание аналога авт,св.СССР М 731584, кл. Н 03 К 13/34), на базекоторых выполнены вспомогательный и30 кантралируемь 1 й ЦАП,Все локальные погрешности линейности как контролируемага ЦАП, так ивспомогательного: 4 и Ь вычисляются вотсчетно-регистриру 1 ащем устройстве 9, азатем из Ь-Ьп определяется максимальноезначение, которое и принимается за нелинейность преобразователя.В сравнении с известным устрайствоглпрототипом па авт,св. СССР М 1455389. кл.Н 03 М 1/10, предложенное устройство со держит на шесть меньше аналоговых ключей, которые находятся в цепяхизмерительного сигнала.Блок 10 управления в самом элементарном виде мокет быть выполнен наборнымполем с ручным управлением, либо представлять из себя набор регистров с внешним управлением па программе ЗВМ,В связи с этим повышается надежность50 предложенного устройства при полном сохранении свойств измерения нелинейностиЦАП по всему диапазону преобразования.Формула изобретения.-йУстройство контроля цифроаналоговыхпреобразователей, содержащее первый ивторой преобразователи ток-напряжение,выполненные на элементе обратной связи иоперацианнагл усилителе, выходы первого и1777238 10 Составитель Г. ВласовТехред М.Моргентал Корректор Л. Лисина Редактор Г. Бельская Заказ 4127 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 второго операционных усилителей подключены к первому и второму входам вольтметра, выходы которого соединены с соответствующими входами отсчетно-регистрируюцего устройства, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей являются шиной нулевого потенциала, а инвертирующие через соответствующий элемент обратной связи подключены к выходу соответствующего операционного усилителя, первый и второй аналоговые переключатели, выводы первых неподвижных контактов которых являются шиной нулевого потенциала, вывод подвижного контакта первого аналогового переключателя является первой входной шиной, вывод подвижного контакта второго аналогового переключателя соединен с первым аналоговым выходом вспомогательного цифроаналогового преобразователя, управляющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с первым и вторым управляющими выходами блока управления, первые информационные выходы которого являются первой выходной шиной, а вторые соединены с соответствующими информационными входами вспомогательного цифроаналогового 5 преобразователя, аналоговый вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения и является второй выходной шиной устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, 10 второй элемент обратной связи выполненуправляемым, вход управления которого обьединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, с выводом второго неподвижного контакта первого 15 аналогового переключателя и подключен квторому аналоговому выходу вспомогатель ного цифроаналогового преобразователя,инвертирующий вход первого операционного усилителя объединен с выводом второ го неподвижного контакта второгоаналогового переключателя и является второй входной шиной, а выход первого операционного усилителя является третьим выходом устройства.