Устройство для измерения погрешности цифро-аналоговых преобразователей

(21) (22) (46) инаанич тво СССР1.07.74,о СССР24,06,80 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 3511816/18-2110.11,8207.09.84. Бюл. Р 33(71) Ленинградский ордена Ли ордена Красного Знамени мкий институт(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯПОГРЕШНОСТИ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, содержащее генератор импульсов, выход которого соединенс входом элемента задержки, блоксравнения кодов, первые входы которого соединены с первыми входами эталонного цифроаналогового преобразователя и с первыми выходами 2 п-разрядного счетчика, вторые выходы которого подключены к первой выходной шинеи вторым входам блока сравнения.кодов, выход которого соединен с первым входом элемента И, блок вычитания, первый вход которого подключенк выходу эталонного цифроаналоговогопреобразователя. два компаратора,первый вход первого из которых соединен с выходом блока вычитания,управляющие входы обоих компараторовподключены к выходу элемента И и управляющему входу блока логическойобработки, первый и второй входы которого подключены к выходам первого ивторого компараторов соответственно,а первые выходы - к первым входамблока индикации, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, и второй триггер, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширенияфункциональных возможностей, н неговведены источник допускового напряже 804 А1112546 второй вывод первого резистора подключен к первому выводу потенциометра и первому выходу источника допусков напряжений, второй вывод второго резистора соединен с вторым вы 1Изобретение относится к вычислительной и ийпульсной технике и может быть использовано для измерения погрешности цифроаналоговых преобразователей. 5Известно устройство для измерения погрешности цифроаналоговых преобразователей, содержащее генератор импульсов, эталонный цифроаналоговый преобразователь, счетчик, блок срав нения кодов, индикатор, блок усиления вычитания, аналогоное запоминающее устройство С 11 .Недостатком данного устройства янляется ограниченная точность измерения погрешности цифроаналогового преобразователя (ЦАП).Известно также устройство для измерения погрешности ЦАП, содержащее генератор импульсов, выход которого соединен с входом элемента задержки блок сравнения кодов, первые входы которого соединены с первыми входами эталонного циФроаналогового преобразователя и с первыми выходами 2 п-разрядного счетчика, вторые выходы которого подключены к первой выходной шине и вторым входам блока сравнения кодов, выход которого соединен с первым входом элемента И, блок нычитания, первый вход которого ЗО подключен к выходу эталонного цифроаналогового преобразователя, дна компаратора, первый вход первого из которых соединен с выходом блока нычитания, управляющие входы обоих компараторов подключены к выходу элемента И и управляющему входу блока логической обработки, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов соответственно, а первые выходы - к первым входам блока индикации, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, второй триггер и шину "Сброс", выход которой соединен с 45 первым входом первого триггера и пер-; вым входом 2 п-разрядного счетчика 23Недостатками известного устройст ва являются ограниченная точность измерения, обусловленная недостаточной чувствительностью компараторов (единицы КВ) и не позволяющая измерять погрешности высокоразрядных ЦАП, и ограниченные функциональные ходом источника допусковых напряжений и вторым выводом потенциометратретий вывод которого подключен к выходу второго источника напряжения,2возможности, так как известное устройство не измеряет погрешности ЦАП с диапазоном, превышающим допустимые значения синфазных и дифференциальных напряжений компараторов. Кроме того, затраты времени оператора на предварительные операции по согласованию диапазона измеряемого цифроаналогового преобразователя с диапазоном эталонного цифроаналогового преобразонателя большие. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей,Поставленная цель достигается тем,что в устройстно для измерения погрешности цифроаналоговых преобразователей, содержащее генератор импульсов, выход которого соединенс входом элемента задержки, блоксрайнения кодов, первые входы которого соединены с первыми входами эталонного цифроаналогового преобразователя и с первыми выходами 2 п-разрядного счетчика, вторые выходы которого подключены к. первой выходной шине и вторым входам блока сравнениякодов, выход которого соединен с первым входом элемента И, блок вьтчитания, первый вход которого подключенк выходу эталонного цифроаналоговогопреобразователя, два компаратора,первый вход первого из которых соединен с выходом блока вычитания, управляющие входы обоих компараторон подключены к выходу элемента И и управляющему входу блока логической обработки, перный и второй входы которого подключены к выходам первого ивторого компараторов соответственно,а первые выходы - к первым нходамблока индикации, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, и второй триггер, введеныисточник допускового напряжения, первый выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, второй выход - с первым входом второгокомпаратора, элемент ИЛИ, элементзапрета и блок управления, первый выход которого соединен с первыми входами первого триггера и 2 п-разрядного счетчика, второй выход - с вторымвходом первого триггера, третий входкоторого подключен к выходу старшегоразряда 2 п-разрядного счетчика, выход первого триггера - с второй выходной шиной, вторым входом эталонного цифроаналогового преобразовате,ля и.первым входом второго триггера,выход которого соединен с управляющим входом блока вычитания и первымвходом элемента запрета, второй входкбторого подключен к выходу генератора импульсов, выход элемента запрета - с вторым входом 2 п-разрядного счетчика, первые выходы которогосоединены с вторыми входами блокаиндикации, третий вход - с третьимвыходом блока управления и первым .входом элемента ИЛИ, второй вход ко 10 15 торого подключен к первому выходу блонены между собой и с выходом первогоисточника напряжения, второй выводпервого резистора подключен к перво 35 му выводу потенциометра и первому выходу источника допусков напряжений,второй вывод второго резистора соединен с вторым выходом источника до 40 пусковых напряжений и вторым выводом потенциометра, третий вывод которого подключен к выходу второго источника напряжения,На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения погрешности цифроаналогового преобразователя.Устройство содержит генератор 1 импульсов, 2 п-разрядный счетчик 2, измеряемый цифроаналоговый преобразователь 3, эталонный цифроаналоговый преобразователь 4, блок 5 срав 50 нения кодов, блок 6 индикации, источник 7 допусковых напряжений противоположных полярностей, компараторы 8и 9, блок 10 логической обработки,блок 11 управления, вычитающий уси 55 литель-ограничитель 12 с программируемым коэффициентом усиления, логические элементы 13 запрета, И 14 и ИЛИ 15 элемент 16 задержкитриггеры 17 й 18 первую выходную шину 19 входного кода вторую выходную шину 20 и входную :.ину 21 выходного сигнала для подключения изменяемого ЦАП 3, эталонные источники 22 и 23 60 ка управления, третий вход - к второму выходу блока логической обработки, а выход элемента ИЛИ - к второму входу второго триггера, третий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, при этом второй вход второго компаратора подключен к выходу блока вычитания, второй вход которого соединен с входной шиной, причем выход элемента задержки подключен к второму входу элемента И.Кроме того, источник допускового напряжения выполнен на двух источниках напряжений противоположных поляр- З ностей, потенциометре и двух резис"торах, первые выводы которых соединапряжений противоположных полярностей, резисторы 24 и 25 и потенциометр 26. Шины 27-29 представляют собой входные и выходную шины измеригельного цифроаналогового преобразо,вателя.Генератор 1 импульсов подключен через элемент 13 запрета к второму входу (синхронизации) 2 п-разрядного счетчика 2 и через элемент 16 задерж ки - к первому входу элемента И 14, Вторые выходы (младшие разряды) 2 празрядного счетчика 2 соединены через шину 19 с входами измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 и с вторыми входами блока 5 сравнения ко- дов, Первые выходы (старшие разряды ) 2 п-разрядного счетчика 2 соединены с входами эталонного цифроаналогового преобразователя 4, с первыми входами блока 5 сравнения кодов и с вторыми входами блока 6 индикации, Выходы эталонного 3 и измеряемого 4 через шину 21) цифроаналоговых преобразователей соединены с первым и вторым входами вычитающего блока усилителя-органичителя 12, выход которого подключен к первому входу компаратора 8 и второму входу компаратора 9. Источник 7 допусковых напряжений противоположных полярностей выполнен в виде моста из резисторов 24 и 25 и потенциометра 26, одна диагональ моста подключена к второму входу компаратора 8 и к первому входу компаратора 9, другая соединена с выходами эталонных источников 22 и 23 напряжений противоположных полярностей. Выходы компараторов 8 и 9 через блок 10 логической обработки соединены с первыми входами блока 6 индикации и с вторым входом элемента ИЛИ 15. Входы управления (стробирования) компараторов 8 и 9 и блока 10 логической обработки соединены с выходом элемента 14 И, второй вход которого подключен к выходу блока 5 сравнения кодов, Первый выход блока 11 управления соединен с первыми входами (установки в "0") 2 п -разрядного счетчика 2 и первого триггера 17 и с вторым входом элемента 15 ИЛИ, второй выход блока 11 управления - с входом установки в "1" первого триггера 17,ф третий выход блока 11 управления - непосредственно с входом установки "1" 2 п-разрядного счетчика 2 и с вторым входом элемента 15 ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом ,установки в "1") второго триггера 18. Четвертый выход блока 11 управления соединен с третьим входом установки в "0 второго триггера 18,выход которого подключен к входу управления коэффициентом усиления вычитающего усилителягорганичителя 12 и к первомувходу элемента 13 запрета. Старшийразряд 2 п-разрядного счетчика 2 соединен с третьим входом (синхронизации ) первого триггера 17, выход которого подключен к управляющим входам разряда знака измеряемого 3 (через шину 20) и эталонного 4 цифроаналоговых преобразователей, к третьему входу блока 6 индикации и кпервому входу (синхронизации ) второго триггера 18. 10Устройство работает следующим образом.С помошью шин 19 и 27, 20 и 28,21 и 29 измеряемый цифроаналоговыйпреобразователь 3 подключают к устройству.В исходном состоянии, после про,хождения импульса из первого выходаблока 11 управления, устанавливаются в нулевое состояние 2 п-разрядный счетчик 2 и первый триггер 17, а второй триггер 18 - в состояние "1.", На управляющем входе элемента 13 запрета действует сигнал "1", и импульсы с генератора 1 импульсон не проходят на вход синхронизации 2 п-разрядного счетчика 2. С прямого выхода второго триггера 18 сигнал "11 поступает на вход управления вычитаюшего блока (усилителя-органичителя) 12, что вызывает увеличение его коэффициента усиления. На входах блока 5 сравнения кодов действуют нулевые коды и на его выходе устанавливается уровень "1", обеспечиваюший прохождение через элемент И 14 35 иглпульсон с выхода элемента 16 задеркки на входы стробирования компараторон 8 и 9 и блока 10 логической обработки. Выходное напряжение эталонного цифроаналогового преобразо вателя 4 равно нулю, а выходное напряжение измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 может или равняться нулю, или отличаться от нулевого уровня. При отклонении выходного напряжения измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 от нуля (в блоке индикации 6 высвечен индикатор "Выше" или "Ниже" ) оператор устанавливает нулевое напРяжение подстроечными элементами измеряемого цифроаналогового преобразователя 3, используя показания блока 6 индикации (по появлению сигнала "Годен" ) . Увеличенный коэффициент усиления вычитаюшего усилителя-ограничителя 12 обеспечивает высокую точность установки нулевого напряжения на выходе измеряемого цифроанало гового преобразователя 3 до долей младшего разряда). 60После подстройки нуля измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 из третьего выхода блока 11 управления передается сигнал, устанавливающий 2 п-разрядный счетчик 2 н сос тояние "1". Второй триггер 18 остается н состоянии "1", и коэффициент усиления нычитаюшего усилителя-ограничителя 12 сохраняется увеличенным. Первый триггер 17 остается н нулевом состоянии, что соответствует, например, положительному значению знакового разряда цифрового кода 2 п-разрядного счетчика 2. Оператор корректирует усиление измеряемого ЦАП 3. По показаниям блока 6 индикации( по появлению сигнала "Годен" ) устанавливается максимальное выходное напряжение измеряемого цифроаналогового преобразователя 3, равное выходному напряжению эталонного цифроаналогового преобразователя 4. Увеличенный коэффициент усиления вычитающего усилителя-ограничителя 12 обеспечивает согласование выходных напряжений измеряемого 3 и эталонного 4 цифроаналоговых преобразователей с точностью до долей младшего разряда.При измерении погрешности биполяргого циФроаналогового преобразоватейя с второго выхода блока 11 управления подается сигнал на вход установки н "1" перного триггера 17. Состояния 2 п-разрядного счетчика 2 и второго триггера 18 сохраняются прежними ("1"). В единичном состоянии первого триггера 17 разряд знака соответствует отрицательному цифровому коду 2 п-разрядного счетчика 2, и цифроаналоговые преобразователи 3 и 4 вырабатывают напряжения отрицательной полярности. Подстроечными элементами корректируется усиление измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 с выходным напряжением эталонного цифроаналогового преобразователя 4 (аналогично по сигналу "Годен" в блоке индикации)После проведения подстройки нуля и коэффициента передачи измеряемого цифроаналогового преобразователя 3 с блока 11 управления последовательно передаются импульсные сигналы с первого и четвертого выходов. По сигналу "Сброс" 2 п-разрядный счетчик 2 и первый триггер 17 устанавливаются н нулевое состояние, и по сигналу "Пуск" второй триггер 18 устанавливается также в нулевое состояние. На управляющем входе элемента 13 запрета появляется уровень "0", уменьшается коэффициент усиления нычитаюшего блока 12, от генератора 1 импульсов через элемент 13 запрета импульсы проходят на вход синхронизации 2 п-разрядного счетчика 2. Счетчик 2 подсчитывает импульсы от генератора 1 импульсов и на выходах младших и старших разрядов изменяются цифровые коды. При изменении цифровых кодов на выходах измеряемого 3 и эталонного 4 цифроаналогоных преобразователей появляются линейно1112546 щь ( 9 +)6 Кл 30 ЕПОР Ч Ь Тл ) пОР ООР где35 40 45 Точность известного и предлагаемого устройств зависит от многих факторов, в частности от стабильности коэффициентов передачи вычитаюшего и суммируюШего усилителей, температурного дрейфа пороговых уровней компараторов, напряжения смешения, входных токов, чувствительности компараторов и т.д. изменяющиеся во времени напряженияступенчатой Формы. При этом протяженность каждой ступени эталонногоцифроаналогового преобразователя 4в два раза больше, чем у измеряемого цифроаналогового преобразователя3, что позволяет испольэовать в качестве эталонного менее быстродействующий, но более точный цифроаналоговый преобразователь, При равенстве кодов младших и старших разрядов2 п-разрядного счетчика 2 блок 5 сравнения кодов вырабатывает сигнал, разрешаюший сравнение разности выходныхнапряжений эталонного 4 и измеряемого 3 цифроаналоговых преобразователей с зоной допуска Формируемойисточником 7 допусковых напряженийпротивоположных полярностей. Еслиусиленная разность выходных напряжений цифроаналоговых преобразователей4 и 3 на выходит за,пределы установленного допуска (определенная частьмладшего разряда, большая. чем припроведении подстройки нуля и коэффициента передачи измеряемого цифроаналогового преобразователя 3), тоизмерение автоматически продолжается(на блоке б индикации вспыхивает индикатор "Годен" ), При выходе разности выходных напряжений цифроаналоговых преобразователей 4 и 3 за пределы допуска в блоке б индикации эагорается индикатор "Выше" или "Ниже"зоны допуска, и импульс "Не годен" сблока 10 логической обработки через элемент 15 ИЛИ проходит на входустановки в "1" триггера 18. Приэтом триггер 18 переключается в сос-тояние "1", элемент 13 запрета непропускает импульсы от генератора1 импульсов на вход синхронизации2 п-разрядного счетчика 2, В блоке б индикации высвечивается код 2 празрядного счетчика 2, при которомпроисходит останов счета, и информация о знаке кода, поступаюшая отпервого триггера 17. Если останов2 п-разрядного счетчика 2 не происходит при состояниях первого триггера 17 "0" и "1", то при переключенииего из "1" в "0" триггер 18 перебрасывается в состояние "1" и запрещает прохождение импульсов синхронизации на вход 2 п-разрядного счетчика 2. В блоке б индикации высвечивается результирующая информация"Годен". Оценка точности сравниваемых объ-ектов проводится по среднеквадратичному отклонению границы, например .верхней зоны допуска.В известном устройстве нестабиль ь Клность коэффициента передачигде К= 1 усилителя, суммируюшего выходное напряжениеэталонного цифроаналогового преобразователя с 10 напряжениемисточника допускового напряжения, вызывает сдвиг верхней границы зоны допуска. 15Посколькусохраняется постоянным, а з изменяется при увеличениикода, сдвиг верхней границы достигает максимума в конце диапазона циф" 20роаналогового преобразователябйтнОс. ( 9 ллфк+ Я )Кл9 июафК Приближение учитывает то чтосоставляет часть младшего разряда ЮПОтносительное температурное изменение порога срабатывания компа- ратора мкВ/ОС - температурный коэффициент порогасрабатывания компаратооа,п - поооговый уоовеньсоставляюший часть(1/4 или 1/8) младшего значашего разряда.Среднеквадратичное отклонение У верхней границы зоны допуска в базовом объекте составляет/( 13 ЬГд )1 ( Ь 5 дд Р "ПОР фР ф В данном объекте температурный дрейф компаратора пересчитывается через коэффициент усиления К вычитаюшего усилителя-ограничителя и среднеквадратическое отклонение с определяется Произведен расчет 4, д, полагая,что= 500 мВ, аК/Кл = 10 л10 мкВ/оС, Т = 30 ь, по = 5 мВ(что составляет примерно 1/4 частьмладшего значащего разряда 8-разряр- .ного ЦАП), К = 100, а д = 10т.е. в К = 100 раз больше, чем усуммируюШего усилителя с К л = 1, из-.1112546 5 ИИПИ Заказ 6467/4 раж 86 Подписно ул.Проектная, 4 ППП фНатеи Фил Ужг эа меньшей глубины обратной связи вусилителе.Среднеквадратические отклоненияЮ,и с равны5 )Ь ) КОИ 1/.4 у .ъ ау ло гРасчетыпоказывают, что в известном устройстве среднеквадратические отклонения границы зоны допуска значительно меньше, чем в базовом объекте, и определяются в основном нестабильностью коэффициента усиления вычитающего усилителя-органичителя.Таким образом, при прочих равных условиях (одинаковая чувствительность и температурный дрейф компараторов, стабильность источников допускового напряжения и т.д. конструкция предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с известным большую точность измерения передаточной характеристики измеряемого ЦАП.Использование в предлагаемом устройстве блока управления, источника допускового напряжения, логических элементов запрета, ИЛИ, элемента задержки, второго триггера, а также соответствующих соединений между нимиобеспечивает оперативное согласование диапазонов измеряемого и эталонного цифроаналоговых преобразовате- .лей, измерение погрешности цифроаналоговых преобразователей с большимдинамическим диапазоном, а также измерение погрешности биполярных цифроаналоговых преобразователей. Использование в качестве источника до-.пусковых напряжений моста из двухрезисторов и потенциометра и двухэталонных источников напряжений противоположных полярностей позволяетоператору одним органом управления -потенциометром - одновременно установить необходимые опорные напряжения.на входах компараторов, что, следовательно, уменьшает затраты временина подготовительные операции поЬзмеренив погрешности ЦАП. Указанные достоинства расширяют функциональные воэможности и областьприменения предлагаемого устройства для измерения погрешностицифроаналогового преобразователя .