Устройство измерения характеристики преобразования высокоточных и быстродействующих аналого-цифровых преобразователей

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) (11 4 Н 03 М 1/10 ННЫЙ НОМИТЕТ СССР ОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ГОСУД АРС ПО ДЕЛАМ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН;701 р. ар умв кот о льтметра, вх выходам анал щего ваго интегор АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт электроники и. вычислительной техники АН ЛатвССР .(72) В.Я.Загурский, И,Я.З ба, А.Г.Вершинин и Е.Г.Цветка (53) 681.325(088,8)(56) Боцйегя Т,М. Айдпаппе Тези МегЬой Еог Ь 18 Ь геяо 1 цгдоп а/й Сопчеггогя, 1 ЕЕЕ Тгапяасг 1 оп ап 1 пяГг. апс 1 шеаяцг Ч 1 М, 1982, У 1, шагсй, р,3-5.Авторское свидетельство СССР У 1058048, кл. Н 03 К 13/02, 1983. (54)(57) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНЙЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, содержащее генератор периодического сигнала, аналоговый интегратор напряжений, цифровой интегрирующий вольтметр, аналоговый сумматор напряжений, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а выход является первой выходной шиной, биполярный коммутатор напряжений, выход которого подключен к входу интегратора, а входы соединены с соответствующими выходами блока сравнения кодов, первые входы которого являются входными шинами, вторые входы соединены с первыми выходами блока задания кодов, о т л и ч а ю щ е е с л тем, что, с целью повышения точности иэмеренил, в него введены блок цифроаналоговых преобразователей, блок компаратарав, блок формирователей импульсов, мультиплексор, измерительвременного интервала, регистр памяти,арифметический блок, причем выходгенератора периодического сигнала подключен к второму входу аналоговогосумматора и к первому входу блокакампаратара, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьимвыходами блока цифроаналоговых преобразователей, а первый, второй итретий выходы через блок формирователей импульсов соединены с соответствующими первыми входами мультиплексора, второй вход которого объединенс первым входом арифметического блокаи подключен к второму выходу блоказадания кодов, первый и второй выходы соединены с соответствующими входами измерителя временного интервала,третий выход является второй выходнойшиной, а четвертый выход соединен стретьим входом блока сравнения кодов,при этом третий и четвертый выходыблока задания кодов соединены с первыми и вторыми входами блока цифроаналоговых преобразователей, пятый выход соединен с первым входом регистра памяти, вь 1 ход которого соединенс третьими входами блока цифроаналоговых преобразователей, второй входподключен к выходу арифметическогоблока, второй вход которого соединен с выходом цифрового интегрируюков.Устройство содержит генератор 1 периодического сигнала, аналоговый интегратор 2 напряжений, аналоговый сумматор 3, цифровой интегрирующий вольтметр 4, биполярный коммутатор 5 напряжений, испытуемый АЦП 6, блок сравнения кодов, блок 8 задания кодов, блок 9 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), блок 10 компараторов, блок 11 Формирователей импульсов, мультиплексор 12, измеритель 13 временного интервала, регистр 14 памяти, арифметический блок 15. 251 а Фиг,2 обозначены; периодический испытательный сигнал 16 напряжения с выхода генератора 1, напряжение 17 на первом выходе блока 9, напряжение 18 на втором выходе блока 9, напряжение 19 на третьем выходе блока 9, цифровые сигналы 20 - 22 соответственно на первом - третьем выходах блока 10, соответствующие уровням напряжений 17 - 19, импульсы 23 - 25 на выходах блока 11, сформированные при переходе35 сигналов 20 - 22 излогического состояния "1" в "0", импульсы 26 на выходе блока 11, сформированные при переходе сигнала 22 из "0" в "1", импульсы4 О 27, иллюстрирующие действительные моменты опроса испытуемого АЦП 6 (при действии импульсов 25), напряжение 28 на выходе аналогового интегратора 2, 29 - сумма напряжений 28 и 16 на41 выходе аналогового сумматора 4, напряжение 30, численно равное коду на первом выходе блока 8 задания кодов, подключенном к блоку сравнения 7 кодов, цифровые сигналы 31, 32 на выходах блока 7 сравнения кодов, А - значение сигнала напряжения 16, равное значению уровня напряжения 17, 41 - временной интервал между импульсами 23 и 24; 1 - задержка запуска АЦП 6, В - среднее значение напряжения 28,О - абсолютная величина разности напряжений между уровнями 17 и 18, 11 еред началом работы первую 5012118Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для проверки и метрологической аттестации аналого-цифровых преобразователей (АЦП).5Цель изобретения - повышение точности,На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного устройства; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений на выходах соответствующих блои вторую выходные шины соединяют ссоответствующими входами испытуемого АЦП, выходы которого соединены свходными шинами.Устройство работает следующимобразом.Выходной сигнал генератора 1(фиг.2) произвольной формы поступаютна аналоговый сумматор 3 и сигнальный вход блока компаратора 10. Напервом и втором входах блока 10 свыходов блока 9 устанавливаются уровни напряжений 17,18 (фиг.2), а натретьем входе блока 10 предварительно также устанавливается уровеньнапряжения 17. Напряжения 17 и 18численно равны кодам, задаваемым свыходов блока 8 задания кодов навходах блока 9 ЦАП. Регистр памяти14 разблокирован по стробируемомувходу и код с выхода блока 8 непосредственно задается через него нацифровой вход блока 9, Величины уровней напряжений 17 и 18 задаются такими, чтобы 4 Ц соответствовали допустимой погрешности линейной аппроксимации сигнала 16 в точке А,С выходов блока 10 сигналы напряжения, например 22 (фиг.2), поступают в блок 11 формирователей импульсов, где Формируются по длительности импульсы, соответствующие их срезам (переход из состояния "1" в "0")и фронтом переход из "0" в "1"),например сигналы 25 и 26 (фиг,2),Импульсные сигналы поступают на входы мультиплексора 12, который в зависимости от кода на управляющемвходе коммутирует на свои выходызти импульсы в выбранных сочетаниях.Для простоты на фиг,2 показаны только сигналы 20 - 22 и 23 - 26 необходимые для последующего рассмотрения. Блок 11 Формирователей импульсовможет в общем случае содержать число Формирователей больше четырех,например, для формирования импульсовиз всех фронтов и срезов сигналов20 - 22. Это позволяет реализоватьразличные наборы стробирующих импульсов на выходах блока 11, число которых также увеличивается.На управляющий вход мультиплексора12 свторого выхода блока 8 заданиякодов устанавливается код, которыйопределяет режим мультиплексованиятакой, что с учетом установленныхна входах блока 9 импульсы 23 и 24(фиг.2) переключены и первый и второй выходы блока 12, а на третий и четвертый его выходы переключены импульсы (см.пунктир для импульсов 25, фиг.2), идентичные 23, сформированные из среза сигнала (см.пунктир для сигнала 22, фиг.2) на третьем выходе блока 10, Импульсы с первого и второго выходов мультиплексора 12 поступают на входы измерителя 13 временного интервала дТ. Поскольку величины уровней напряжений17 и 18 заданы и известно дБ, товеличина крутизны сигнала 16 в точкеА определяется как ЙБ/ЙТ = ЬБ/ьТ.Для формализации определения величины и знака крутизны принимается,что ьТ имеет условно отрицательныйзнак, если импульсы 23 задержаныотноситечьно 24, и наоборот, еслиимпульсы 24 задержаны относительно23, а Ь Б определяется как алгебраическая разность уровней напряжений17 и 18. Аналогично величина и знаккрутизны могут быть определены длялюбых значений периодического сигнала 16.На второй вход аналогового сумматора 3 и вход цифрового вольтметра4 с выхода интегратора 2 поступаетсигнал напряжения 28 (фиг,2), Постоянная времени интегратора 2 выбирается такой, чтобы, как и в прототипе, эа время изменения сигнала28 в пределах между двумя рядомстоящими точками характеристики,преобразования (квантах) прошло30-40 периодов сигнала с выхода генератора 1На выходе сумматора 3действует сумма 29 сигналов 16 и28 (фиг,2). В моменты стробированияАЦП 6 и цифрового блока 7 сравнениякодов (импульсы 25, показанные нафиг.2 пунктиром) мгновенное значение напряжения 29 на входе АЦП 6должно быть равно текущему значениюнапряжения 28 на выходе интегратора 2,В исходном состоянии на вход блока 7 с первого выхода блока 8 задания кодов устаноВлен код, численноравный уровню напряжения 17, Есливыходной код преобразователя 6, полученный при стробировании равен(при сравнении с блоком 7) коду свыхода блока 8, то сигналы (31,32,фиг.2) с выходов блока 7 переключают биполярный коммутатор 5 напряжений так, что выходное напряже 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 метического блока 15 стробирует регистр 14, В результате в регистре 14 запоминается значение кода, численно равное уровню напряжения 19. Таким образом, на третьем выходе блока 10 компараторов сформируются сигналы 22 (фиг.2), а в блоке 11 формирователей импульсов будут сформированы импульсы 25 и 26, Импульсы 25 коммутируются мультиплексором 12 на входы стробирования АЦП 6 и блока сравнения 7 кодов и опережают по фазе импульсы 23 так, что обеспечивается точная компенсация задержкии с ее учетом определяется нпе 28 аналогового интегратора 2 начинает возрастать, Когда оно достигнет значения, при котором выходной код испытуемого ЛЦП 6 превысит код, установленный на первом выходе блока 8, сигналы (31,32, фиг.2) с выходов блока 7 сравнения кодов переключают коммутатор 5 так, что выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться. Указанный процесс многократно повторяется, среднее значение В напряжения сигнала 28, измеряемое на выходе интегратора 2 цифровым вольтметром 4, сравнивается с кодом на втором выходе блока 8 (кодом уровня напряжения 17) задания кодов посредством арифметического блока 15, Величина среднего значения напряжения на выходе интегратора 2 характеризует действительноезначение напряжения на выходе АЦП 6 по сравнению со значением уровня напряжения 17. Отличие этих значений обусловлено тем, что ввиду влияния задержкидействительный момент стробирования испытуемого АЦП 6 не соответствует местоположению точки А на сигнале 16 и в общем случае неизвестен, так как неизвестна,ля компенсации влияния задержки ь на результат измерений последовательно изменяют код на входе регистра 14, задаваемый с пятого выхода блока 8. Коды на остальных выходах блока 8 сохраняются неизменными. Изменение кодов сопровождается изменением уровня напряжения на третьем выходе блока 9 ЦАП от величины уровня напряжения 17 до величины уровня напряжения 19, При равенстве кода на выходе цифрового вольтметра 4 с кодом на третьем выходе блока 8 задания кодов импульс на выходе ариф 121187920 25 ЗО 35 40 45 50 момент стробирования АЦП 6, точносоответствующий результату преобразования напряжения 29 в точке А. Поскольку величина и знак крутизны вточке А также точно определены, товсе исходные параметры сигнала 16в точке А (значение, величина и знаккрутизны) известны независимо отего формы и задержки ,Для измеренияс второго выходаблока 8 задания кодов устанавливается на управляющем входе мультип,пексора 12 такой код, что с выходовмультиплексора 1 2 на входы измерителей 13 временного интервала поступают импульсы 23 и 25.При измерении характеристики преобразования испытуемого АЦП 6, установленные на всех входах блока 9,остаются неизменными и численно равными уровням напряжений 17 - 19.На управляющем входе мультиплексора 12 с второго выхода блока 8 устанавливается такой код, что на первый и второй выходы мультиплексора12 переключаются импульсы 23 и 24,интервал 6 Т между которыми контролируется измерителем 13 в процессеизмерений, с третьего выхода мультиплексора 12 на вход стробированияблока 7 сравнения кодов поступаютимпульсы 25, а с четвертого вьг:,одамультиплексора 12 на вход стробирования АЦП 6 поступают импульсы 25и 26, Таким образом, обеспечива.етсястробирование преобразователя 6 вмоменты времени (импульсы 27, Фиг,2),соответствующие различным значениямнапряжения сигналя 28 с выхода аналогового сумматора 3. управлениебиполярным коммутатором 5 произво -дится импульсами 31,32, формируемымитолько в моменты сравнений (сигналы23, Фиг,2), когда текущее значениенапряжения на выходе интегратора 2равно мгновенному значению напряжения на входе испытуемого АЦП 6.Пусть на вход блока 7 сравнениякодов с первого выхода блока 8 задания кодов установлен код, соответствующий номеру точки характеристикипреобразования и численно равныйуровню напряжения 30 (фиг,2). Среднеезначение выходного напряжения аналогового интегратора 2, измеряемое втечение большого числа циклов егоизменения цифровым интегрирующимвольтметром 4, соответст- ует границе перехода от одного кванта к друго 3 му на измеряемой характеристике преобр; зования, Отклонения цифрового результата измерения (среднее значение В, Фиг.2) от кода (уровень напряжения 30, Фиг.2) характеризует в этом слу чае погрешность динамической характеристики преобразования в этой точке. Погрешность точно соответствует определенным, в исходном состоянии устройства, величине и знаку крутизны испытательного сигнала 16 в точке А (фиг,2), Влияние задержкискомпенсировано, а испытуемый АШ 1 6 работает в реальном режиме преобразования различных значений испытательного сигнала.После регистрации результата измерений на первом выходе блока 8 устанавливается код, соответствующийзначению следующей точки измеряемойхарактеристики преобразования, Измерения повторяются, при неизменныхзначениях кода на всех остальныхвыходах блока 8 и регистра 14, дополучения полной информации о всехточках характеристики преобразования испытуемого аналого-циФровогопреобразователя,Предложенное устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую точность, поскольку обеспечивает точное соответствие результатовизмерений исходным параметрам испытательного сигнала и реальным условиям работы испытуемого АЦП 6,Точность соответствия определяетсяотносительной погрешностью измерителя периодического временного интервала 13 и цифрового интегрирующего вольтметра 4 и составляет тысячные доли процента.Кроме непосредственных измеренийдинамической характеристики прес,.раэования, устройство позволяет измерять задержку запуска испытуемогоАЦП 6 и парамегры крутиэныиспытательнсго сигнала в любой выбранной точке (при любом его значении), Этопозволяет использовать в качестве ис.;ытательных периодические сигналыпроизвольной Формы либо использовать;-дин и тот же испытательный сигнал,производя измерения при различныхего значениях, величине и знаке крутизны Для этого достаточно передизмерением динамической характеристики преобразования предварительно1 О задавать различные значения кодов на входах блока ЦЛЛ 9.Задавая соответствующие коды управления мультиплексором 12, можно в процессе измерений изменять условия запуска испытуемого АЦП 6 путем коммутации различных импульсов с выходов блока формирователей 11 импульсов и измерять их временное местоположение при помощи измерителя 13 временных интервалов.1 Переключая входы арифметического блока 15 на соответствующие выходы регистра 14, с учетом результатов измерений измерителя временного интервала можно выполнить необходимые арифметические операции, например, при вычислении величины крутизны или погрешности откло - пения динамической характеристики преобразования от статической.1 211879 оставитель И.Романоваехред Т,Тулнк Корректор С.Шекмар пактор О.Колеснико 818итета С ткрытийая наб. аказ 65060 Тираж ВНИИПИ Государственного ком по делам иэобретений и о 113035, Москва, Ж, Раушск