Устройство для автоматического измерения статистических параметров точности преобразователей формы информации

Ъ .э.)4 О П И С А"НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СеветскикСет 4 далистич вскихРеспублик м 684734 К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ(22 Заявлено 040675 (21) 2140354/18-21с присоединением заявки Но(51)М. Кл.о Н 03 К 13/02 Государственный комитет СССР но дмам нзобрстсннй п открытнй(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯСТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ ФОРМЫ ИНФОРМАЦИИ 10 15 25 30 Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в вычислительной технике и в цифровых системах связи для контроля аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП).Известно устройство для автоматического измерения статистических параметров систем с аналоговым входным сигналом, содержащее генератор испытательного сигнала, включающий в себя генератор ступенчатого ,сигнала, генератор синусондального сигнала и сумматор, аналого- цифровой и цифроаналоговый преобразователи, блок разделения, фильтры нижних частот, н блоки сравнения 1. Генератор испытательного сигнала подключен ко входу системы АЦП-ЦАП, а выход ЦАП через блок разделения и фильтры нижних частот соединен со входами блоков сравнения. Испытательный сигнал в виде ступенчатого сигнала с синусоидальной насадкой преобразуется системой АЦП-ЦАП. Иэ результата преобразования исключается ст пенчатый сигнал и отфильтровывается сигнал насадки. Сигналы с фильтров нижних частот, представляющие собой статическую и динамическую ошибки, сравниваются в блоках сравнения с фиксированным опорным напряжением.Это устройство не обеспечивает высокой достоверности оценки погрешности преобразования. Кроме того, невозможна оценка погрешности отдельно взятого преобразователя.Известно устройство для автоматического измерения статистических характеристик случайных погрешностей аналого-дискретных преобразова" телей, с помощью которого может быть измерена интегральная функции распределения случайных погрваностей. Устройство содержит образцовый цифроаналоговый преобразователь с раздельными и счетным входами блок цифровой уставки, устройство управления, цифровой элемент сравнения и арифметическое устройство 2. для определения интегральной функции распределения случайных погрешностей исследуемого поибора в заданной точке шкалы в блоке цифровой уставки набирают соответствующий код. По команде Пуск набранный код записывается в ЦАП,25 35 45 напряжение с которого поступает наисследуемый прибор,Моменгы преобразования задаютсяуправляющим блоком. Выходной кодисследуемого преобразователя поступает на цифровой элемент сравнения,на другие входы которой поступаеткод, записанный в ЦАП. На выходецифрового элемента сравнения импульсобразуется лишь в том случае, когдазначение кода, записанного в ЦАП,больше значения выходного кода исследуемого прибора. После установленного числа измерений с управляющего блока на счетный вход образцоного ЦАП поступает импульс и в немзаписывается новое число, которомусоответствует новое значение напряжения на выходе образцового преобразователя, а результат измеренийпоступает в арифметическое устройство и регистрируется регистратором.К недостаткам известного решенияследует отнести ограниченные функциональные воэможности. Воэможности известного решения ограничены измерением только интегральной функциираспределения случайных погрешностей и только аналого-цифровых преобразователей. Как известно, этахарактеристика не является исчерпывающей и не позволяет оценить точность работы АЦП.Кроме того, не учтены особенностиисследуемого прибора при работес реальными, подвергающимися преобразованию, сигналами, и измерениядолжны проводиться в специальноотведенное для этих целей время, чтоне позволяет контролировать преобразователь в реальных условиях (оперативный контроль).Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей устройства.Указанная цель достигается тем,что в устройство для автоматического измерения статистических параметров точности преобразователей формыинформации, содержащее подключаемыйк исследуемому прибору цифровой элемент сравнения, другие входы которого соединены с образцовым цифроаналоговым преобразователем, а выходцифрового элемента сравнения подключен к арифметическому устройству,введены второй образцовый цифроаналоговый преобразователь, генераторимпульсов дискретизации, элементзапрета и два аналоговых элементасравнения, первые входы которыхсоединяют с исследуемым прибором,вторые входы связаны с выходами обоих цифроаналоговыхпреобразователей, а выходы подключены через элемент запрета с цифровым элементом сравнения и арифметическим устройством, к которому подключены выход первого образцового 5 10 15 20 30 50 55 60 цифроаналогового преобразователя,счетные входы циФроаналоговых преобразователей и выход генератораимпульсов дискретизации, которыйсоединяют с исследуемым прибором.На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.Исследуемый прибор 1 соединяют содними из входов аналоговых элементов 2 и 3 сравнения, другиевходы которых соединены с выходамиобразцовых цифроаналоговых преобразователей 4 и 5 Выходы элементов2 и 3 сравнения соединены с элементом б запрета, выход которого подключен к цифровому элементу 7 сравнения и арифметическому устройству 8.Одни из входов элемента 7 сравнениясоединяют с исследуемым прибором 1,другие входы связаны с соответствующими старшими разрядами одного иэобразцовых преобразователей, например 5, и с арифметическим устройством 8, к которому подключен элемент7 сравнения. Арифметическое устройство 8 соединено с генератором 9импульсов дискретизации, подключаемым к исследуемому прибору 1.Один из выходов арифметическогоустройства 8 соединен со счетнымивходами образцовых преобразцовыхпреобразователей 4 и 5, раздельныевходы . которых подключены к шине10 Сброс.Перед началом измерений по шине10 Сброс устанавливается любоежелаемое состояние образцовых преобразователей 4 и 5. Число разрядов преобразователей 4 и 5 выбираютодинаковым и превьааающим числоразрядов исследуемого прибора 1.Оно зависит от требуемой точностиизмерений. В любой точке шкалынапряжение на выходе преобразователя 4 всегда больше выходного напряжения преобразователя 5 на величинуодного шага квантования этих преобразователей,Поскольку предлагаемое устройствопозволяет измерять точностные параметры как АЦП, так и ЦАП, рассмотрим процесс измерения точности параметров, например, АЦП. В этомслучае исследуемым преобразователемявляется АЦП.На вход исследуемого прибора 1поступает реальный, подвергаемыйаналого-цифровому преобразованию,сигнал. Этот же сигнал поступаетна первые входы аналоговых элементов 2 и 3 сравнения.Точку шкалы исследуемого прибора1, в которой измеряют величину погрешности преобразования, выбираютс помощью образцового преобразователя 5, Для этого в регистры преобразователей 4 и 5 записываютсоответствующий этой точке код. Ана5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 60 65 логовый эквивалент этого кода собразцового преобразователя 5 поступает на второй вход аналоговогоэлемента 3 сравнения. Выходное напряжение образцового преобразователя 4 поступает на второй вход анаоного элемента 2 сравнения. Всякийраз, когда значения входного сигнала превышают напряжение на второмвходе аналогового элемента 3 сравнения, но не превышают напряженияна втором входе аналогового элемента 2 сравнения, т.е. попадают в зоцувблизи выбранной точки, ограниченной одним шагом квантования,на выходе элемента б запрета образуются импульсы, управляющие цифровым элементом 7 сравнения, Отсчетрезультатов измерений начинается влюбой выбранный момент времени. Сэтого момента арифметическое устройство 8 отсчитывает общее число выполненных преобразований, количествокоторых устанавливают исходя иэтребуемой точности результатов измерений и таковым, чтобы за это времяпроявились статистические особенности преобразуемого сигнала.При попадании входного сигналав выбранную зону на выходе элементаб запрета образуется импульс, поступающий на цифровой элемент 7 сравнения и разрешающий сравнение с эталонным кодом, поступающим от соответствующих разрядов образцовогопреобразователя 5, Арифметическоеустройство 8 подсчитывает эти импульсы для определения количества попаданий входного сигнала в выбраннуюзону.Если результат преобразованияоказывается ошибочным, на выходецифрового элемента 7 сравнения образуется импульс, поступающий на арифметическое устройство 8, котороеподсчитывает число ошибочных преобразований входного сигнала в рассматриваемой точке. Величина погрешности представляет собой разностьмежду номером (кодом) зоны и номером (кодом) анализируемого порогаквантования,После отсчета заданного количества преобразований результаты измерений перезаписываются в регистрирующее или вычислительное устройство, и регистры преобразователей 4и 5 переводятся в новое состояние,Новому состоянию соответствуютновые значения напряжений на выходахобразцовых преобразователей 4 и 5,которые определяют следующую точкушкалы исследуемого прибора 1,отстоящую от предыдущей на величинушага квантования образцовых преобразова гелей 4 и 5,После этого процесс измеренийповторяется для последующей точкишкалы исследуемого прибора 1. Таким образом, в арифметическом устройстве 8 происходят сбор и предварительная обработка результатов измерений,характеризующих погрешности преобразования в выбранной точке шкалы, довидаудобного для регистрации илидальнейшей обработки.Результаты измерен.й позволяютопределить следующие статистическиехаоактеристики исследуемого прибора:,1) Дифференциальную Функцию распределенияя погрешностей преобразованияя (отклонений порога квантования)для любого уровня квантования. Аргументом здесь является величина погрешности, а Функцией - отношениечисла ошибочных преобразований кчислу появлений сигнала в выбраннойзоне. Функция распределения является условной (она измеряется припопадании преобразуемого сигналав рассматриваемую зону), По известной дифференциальной функции распределения нетрудно определить интегральную условную Функцию распределенияпорога квантования,Определение этой характеристики.очень важно для моделирования.2) Математическое ожидание порога квантования. Знание этой характеристики позволяет определить положение порога квантования при преобразовании реального сигнала, т.е, сучетом всех особенностей условий рабо -ты исследуемого прибора;имеет большоезначение при расчете искажений преобразуемых сигналов. Этот параметр необходим при построении квантующей характеристики. Определяется как суммапроизведений значений отклоненийпорогов кодирования и условных вероятностей их появления. Число членов суммы равно ближайшему целомуот отношения шагов квантования исследуемого и образцового преобразователей,3) Дисперсию порога квантования,которая пропорциональна мощностишумов (в данном случае - кодирования)Определяется как сумма произведенийквадрата значений отклонений порогов кодирования и условных вероятностей их появления. Кроме этоговозможно определение моментов болеевысокого порядка.4) Определение реальной квантующей хаоактеристки при преоб 1 азованииреального входного сигнала.Зная величину шага квантованияисследуемого прибора и используярезультаты п,2, можно легко решитьпоставленную задачу.Кроме того, устройство позволяетизмерять интегральную функцию распределения случайных погре:ностейи систематические погрешности.При измерении интегральной Функции распределения случайных погреш68 ностей достаточно выход образцового преобразователя, например 5, подключить непосредственно ко входу исследуемого прибора 1, а элемент б запрета отключить от цифрового элемента 7 сравнения.Измерения в этом случае происходят как в известном приборе.Интегральная функция распределения случайных погрешностей, в которой учитываются статистические особенности преобразуемого сигнала, измеряется следуюшим образом. Выход элемента б запрета отключается, а выход аналогового элемента 3 сравнения подключается к цифровому элементу 7 сравнения и арифметическому устройству 8. При этом в арифметическое устройство поступает измерительная информация, когда значения входного сигнала не превышают уровня с выхода образцового цифроаналогового преобразователя"5.Систематические погрешности можно измерять несколькими путями.1) Выход образцового преобразователя 5 подключается непосредственно ко входу исследуемого прибора 1, а элемент б запрета отключается от цифрового элемента 7 сравнения, Састряния преобразователя 5 последовательно изменяются импульсами с арифметического устройства 8. Когда знак ошибки отрицательный, что соответствует отклонению порога кодирования в меньшую сторону, варифметическом устройстве 8 фиксируется то значение, которое в нем было записано в момент начала прихода импульсов с цифрового элемента 7 сравнения. Когда знак ошибки положительный, фиксируется значение, которое в нем записано в момент окончания прихода импульсов с цифровою элемента 7 сравнения. Такой режим отсчета результатов обусловлен тем, что ошибка преобразователя может составлять несколько шагов квантования образцовою преобразователя 5, Поэтому на выходе цифрового элемента 7 сравнения импульсы появляются при каждом измерении до тех пор, пока значения сигналов на ее входах не сравняются.Поскольку напряжение на входе исследуемого прибора изменяется, например, в сторону повьыения и достаточно иметь значение максимальной ошибки кодирования, при отриМатепьном ее знаке максимальное значение фиксируется в момент появления первого импульса, а при положительном знаке - в момент появления последнего импульса с цифрового элемента 7 сравнения.2) На исследуемый прибор 1 и аналоговые элементы 2 и 3 сравне 4734 8ния поступает медленно изменяющееся напряжение, и измерения происходят как при измерении статистических параметров точности. Различие состоит в том, что измерения происходят лишь при одном попа 5 дании сигнала в выбранную зонухарактеристики исследуемого прибора.Статистические параметры точности ЦАП измеряются аналогично описанному. Входной цифровой сигнал, подвергаемый цифроаналоговому преобразованиюпоступает на исследуемыйФприбор 1 (в данном случае ЦАП) ина цифровой элемент 7 сравнения.Аналоговый выходной сигнал, являющийся результатом преобразования,споступает на первые входы аналог во ыхэлементов 2 и 3 сравнения.Систематические погрешности определяются как и для АЦП. В этом случае на исследуемый прибор поступаетцифровой сигнал, эквивалентный медленно изменяющемуся напряжению,Интегральная функция распределения случайных погрешностей ЦАП измеряется следующим образом,Аналоювый элемент 2 сравненияи элемент 6 запрета отключают, авыход аналогового элемента 3 сравнения подключают непосредственно карифметическому устройству 8. Цифровой элемент 7 сравнения может бытьотключен, так как он не участвуетв процессе измерения этого параметра. Выходы преобразователя 5 подключают ко входу исследуемого прибора.35 Цифровой сигнал с преобразователя5 поступает на исследуемый прибор 1,сигнал с которого поступает на первый вход аналогового элемента 3сравнения. На второй вход этого эле 40 мента приходит постоянное напряжениес образцового преобразователя 5. Навыходе аналогового элемента Э сравнения импульс появляется лишь в томслучае, когда напряжение на выходеисследуемого прибора 1 меньше напря 45жения на выходе образцового пр еобразователя 5. Арифметическое устроЯство 8 отсчитывает установленноечисло преобразований и число импульо с аналогового элемента 3 ср внения.После заданного числа преобразований результаты измерений перезаписываются в регистратор или вычислительное устройство, и преобразояатель 5 переводится в новое состояние, соответствующее большему напряжению на его выходе. Производитсяновый цикл измерений, результаты60 крторого вновь фиксируются в арифметическом устройстве 8. Количествоциклов и количество преобразованийв каждом цикле выбираютисходя изтребуемой точности измерения интегральной функции распределения случайных погрешностей исследуемогоФормула изобретения Составитель Д.Голубовичов Техред З.фанта Корректор Е,Папп Б,ф Заказ 5305/53 ЦНИИПИТираж 1060 ПодписноеГосударственного комитета СССРелам изобретений и открытийосква, Ж, Раушская наб., д.4/5 11303 Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул, Проектная, 4 9 6847прибора, которая строится по точкам,получаемым в каждом цикле измерений.Аргументом этой Функции являютсязначения величины отклонениЯ уровней декодирования, а собственнофункцией - условная вероятностьпоявления этих значений. Производя 5измерения во всэм диапазоне шкалыисследуемого прибора по результатам измерений строят интегральнуюфункцию распределения случайных1 огрешностей исследуемого цифро- )Оналогового преобра зоват ел я.Использование статистическогометода приводит к некоторому увеличению времени измерений. Однако приконтроле быстродействующих преобразователей, для которых большое значение имеют измерения при реальномвзводном сигнале, это время не превысит нескольких минут, поскольку онивыполняют десятки миллионов преобразований в секунду, Количество преобразований сигнала в цикле измерений выбирают либо на основе неравенства Чебышева, либо на основецентральной предельной теоремы,либо на основе неравенства Бернштейна. Устройство для автоматического 30измерения статистических параметров 34 10точности преобразователей формыинформации, содержащее подключаемыйк исследуемому прибору цифровойэлемент сравнения, другие входы которого соединены с образцовым цифроаналоговым преобразователем, а выходподключен к арифметическому устройству, о т л и ч а ю щ,и й с я тем,что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введенывторой образцовый цифроаналоговыйпреобразователь, генератор импульсовдискретизации, элемент запретаи два аналоговых элемента сравнения,первые входы которых соединяют сисследуемым прибором,. вторые входысвязаны с выходами цифроаналоговыхпреобразователей, а выходы подключены через элемент запрета с цифровымэлементом сравнения и арифметическим устройством, к которому подключены выход первого образцового цифроаналогового преобразователя, счетные входы цифроаналоговых преобразователей и выход генератора импульсов дискретизации, который соединяют с исследуемым прибором.Источники информации, принятыево внимание при экспертизе1. Патент Великобритании 91324928,кл. Н 03 К 13/32, 19.02,1972.2. Авторское свидетельство СССР9319065, кл. Н 03 К 13/02,08.06.1970 (прототип).