Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей

(71) Институт электротельной техники АН Ли(56) Авторское свидетВ 809548, кл, Н 03 МАвторское свидетелУ 999154, кл. Н 03 М т знак крутизны испытаала на противоположный вания изме тельного с 13 ик СС вычисли арумба о СССР1981,СССР1983. ьст ство /10,т как раэОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ(57) Способ измерения динамическойпогрешности аналого-цифровых преобразователей может быть использован в сетевых измерительных системах, Способ заключается в преобразовании линейно изменяющегося испытательногостенда посредством испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Одновременно с преобразованием сравнивают испытательный сигнал с границамидиапазона преобразования испытуемогоаналого-цифрового преобразователя, Вмоменты равенства испытательного сигнала с границами диапазона преобразои задают абсолютные значения крути ны испытательного сигнала случайно плотностью. распределения, определяемой энергетическим спектром входныхсигналов испытуемого аналого-цифрового преобразователя. Числа значенийкрутизны задают по формуле И == 1, 2 ас/Тр где 1. - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразователярщ - число разрядов испытуемого аналого-цифрового преобразователя, Юпериод преобразования, Т - средняядлительность интервала между момен-.тами равенства испытательного сигнала и границ диапазона преобразованияиспытуемого аналога-цифрового преобраэователа. После этого регистрируютцифровой сигнал испытуемого преобразователя. Затем подсчитывают числовыпаданий каждого кода аналого-цифрового преобразователя, а динамическуюпогрешность испытуемого аналого-цифрового преобразователя определяювеличину, прямо пропорциональнуюности подсчитанного числа выпаданийкаждого кода и заданного числа выла- Мданий, 2 ил,13024 сигнала, имеющего равномерную плотность распределения значений в пределах диапазона преобразования испытуемого АЦП, и задание необходимогочисла различных значений крутизныиспытательного сигналаЭто позволяетувеличить точность измерения динамической погрешности преобразования,благодаря обеспечению одинаковых условий для числа выпаданий всех кодовиспытуемого АЦП, устранению, независимо от разрядности АЦП, эффекта "периодизации"и исключению влияния амплитудного сдвига (дрейфа) испытательного сигнала в пределах диапазона амплитудных значений испытуемого АЦП,Устройство, реализующее способ,обеспечивает точное измерение динамической погрешности АЦП с разрядностью,ш ) 12-1 4, Это обусловлено тем, что внем, независимо от разрядности АЦП,исключаются влияния эффектов периодизации" и амплитудного сдвига (сдвига нуля испытуемого АЦП) испытательного сигнала в пределах диапазонапреобразования. По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет обеспечить условия измерения динамической погрешности испытуемогоАЦП, адекватные реальным условиямего работы,Устройство для измерения динамической погрешности АЦП (фиг,2) содержит цифровой формирователь б псевдослучайных чисел, выходы цифровых кодов абсолютного значения крутизны иее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 7, выход коИзобретение относится к цифровойизмерительной технике и может бытьиспользовано для измерения динамической погрешности быстродействующих и,высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в измерительныхсистемах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.Целью изобретения является повышение точности измерения динамической 1 Опогрешности АЦП,,На Фиг, 1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемыйспособ; на фиг, 2 - функциональнаясхема устройства для реализации предлагаемого способа,На фиг, 1 показаны: линейно изменяющийся входной сигнал 1, подаваемый на вход испытуемого АЦП, первая2 (верхнее значение Бо) и вторая 3 20(нижнее значение Бн) границы диапазона Б= Б - Б преобразования АЦП,импульсы 4, обеспечивающие преобразование сигнала 1 АЦП, функция 5 числавыпадания каждого из кодов АЦП от нулевого до 2 -1-го, где ш - числоразрядов испытуемого АЦП,. временного интервала между моментами; и С;, ; Ы- угол наклона -гоучастка сигнала 1 по отношению к границам 2 и 3, К; = П /Т; - крутизна-го участка сигнала 1, И - числоучастков (крутизн) сигнала, Б0,12 -1 - значение аргументафункции 5,Под термином Фрагмент сигнала"понимают участок линейно изменяющего Сся испытательного сигнала, заключенный между границами изменения сигнала по амплитуде и имеющий постояннуюпроизводную по времени, Производнуюпо времени (графически, тангенс угла 45наклона сигнала к оси времени) называют крутизной сигнала и обозначаютбуквой К, Таким образом, 1-й фрагмент сигнала имеет крутизну К;.Предлагаемый способ позволяет уве Оличить точность измерения динамической погрешности АЦП за счет обеспечения адекватности условий измеренияреальным условиям работы испытуемогоАЦП в динамическом режиме, Конкретноэто определяется формированием испытательного сигнала, значения крутизны которого распределены случайно сплотностью распределения в заданном 31 2интервале, а знак и абсолютное значение крутизны изменяются согласно совокупности и последовательности выполнения операций способа. В результате обеспечивается измерение динамической погрешности испытуемого АЦП при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический спектр, соответствующий заданному энергетическому спектру входных сигналов испытуемого АЦП и виду закона распределения энергии по диапазону рабочих частот;В соответствии с предлагаемым способом могут быть обеспечены наилучшие, с точки зрения точности измерений, условия, Этим условиям удовлетворяют: требование формирования линейно изменяющегося испытательного3302431торого соединен с входом аналоговогоинтегратора Я, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, выходы которогочерез блок 10 регистрации, соединеныс входами вычислительного блока 11,генератор 12 импульсов, Выходы компараторов 13 .и 14 подключены к управляющим входам Формирователя 6 псевдослучайных чисел, а вторые входы 10компараторов 13 и 14 подключены. соответственно к источникам опорныхнапряжений Б и Б . Выход АЦП 9через блок 10 регистрации соединен свходом вычислительного блока 11, Выход генератора 12 синхроимпульсовподключен к входу стробированияАЦП 9,Кроме того, на Фиг, 2 обозначеныА - выход цифрового кода, соответствующего абсолютному значению крутизны формирователя 6, Б - выход кода знака крутизны формирователя 6,В - управляющие входы формирователя 6, 25В соответствии со способом осуществляют следующие операции.формируют сигнал 1, необходимымии достаточными условиями для которого является линейность изменения во 30времени с заданной величиной крутизны К;. На фиг. 1 показан сигнал 1 созначением крутизны К. после началаформирования и положительным знаком(нарастающий сигнал 1 от Бн к У 1),Затем одновременно с преобразованием сигнала 1 испытуемым АЦП в моменты действия импульсов 4 сравнивают сигнал 1 с границами 2 и 3 диапазона 11 д преобразования испытуемого 40АЦП. В соответствии со способом, присравнении, в моменты й; равенствасигнала 1 и границ 2 и 3 (Фиг, 1) изменяют знак крутизны К; на противоположный и задают другое абсолютное 5значение крутизны, Из фиг, 1 видно,что в момент . абсолютное значе-ние крутизны изменилось на другое(КК; д), а знак ее изменился на противоположный, поскольку сиг нал 1 стал спадающим от БВ к он. И = Ь2 дС/Т,(2) Значения крутизны сигнала 1 согласному способу задают случайно с плотностью распределения определяе 55 мой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого АЦП, Энергети- ческий спектр сигнала 1 определяется из выражения Б (а) = М3 з;З (а,(2М Т к где М- математическое ожиданиевыражения, стоящего вквадратных скобках;И - количество значений крутизн сигнала 1;Т - средняя длительность интервала времени, при котором сигнал сохраняет постоянную крутизну между моментами времениМя(д) =) с,Ы),=1. где С . (оЗ) - Фурье-преобразованиефрагмента сигнала,имеющего .-ю крутизну;д =. 2 И - циклическая частота.Динамическая погрешность АЦП при преобразовании сигналов, имеющих на любой частоте энергию, не превышающую энергию сигнала 1 на этой же частоте, не больше, чем динамическая погрешность при преобразовании сигнала 1.Таким образом, полностью удовлет:,воряется адекватность условия измерения и реальных условий использования испытуемого АЦП, что увеличивает точность измерения динамической погрешности АЦП.В соответствии со способом число . значений крутизны задают по формуле где Ь - заданное число выпаданийкаждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразователя.Можно показать, что в случае задания числа значений крутизны Я по формуле (2) обеспечивается исключение влияния эффекта "периодизации" на точность измерения динамической погрешности АЦП,Регистрируя согласно способу цифровой сигнал АЦП Ь 2 раз в моменты действия импульсов 4, подсчитывают 1. - число выпаданий каждого, = О, 1, 2. . .,. 2 - 1 кода АЦП, При 1. ) 400-1000 относительная погрешность для 1. при задании числа И по формуле (2) составляет не более 0,1- 0,15 с доверительнсй вероятностью 0,9973.5 13024При известных заранее для АЦП диапазоне преобразования Бд и числе разрядов тп может быть построена функция 5 числа выпаданий 1 каждого кода АЦП. Значение приращений аргумента Б Функции определяется как П -Ц. = П 1/2 1Учитывая данные о погрешности 1 относительная методическая погрешность определения 11, - Б, составит 10 не более 0,1-0,15 от величины разрешающей способности Й /2 ) аналого 3цифрового преобразователя, что пренебрежимо мало.После подсчета числа 1. динами ческую погрешность АЦП определяют согласно способу как БдЬ= --- (1., - 1,) = сопзС (1 -1.) (3;2 и 1.Ц т,екак величину, прямо пропорцио- нальную разности числа выпаданий каждого кода испытуемого АЦП и заданного числа выпаданий,Выбор числа значений крутизны сигнала 1 зависит от плотности их распределения в интервале 1.КБд/Тмакс К макс П /Тмин " где Км н ф Кмакс Тмин ф Тмакс минимальное и максимальное значения крутизны К; и дли тельности Т соответственно, Лля двух практически важных случаев равномерной и линейной нарастающей плотностей распределения количество крутизн сигнала 1 И и И соответственно оп ределяется по формулемаи мин2 д (Т - Т )Т макс мин и ( макс/ мии ) 1, 2 АЕ (Т с+ Т ) 40М = - - -юие йвц (5)2 Т Тмин "макс Распределение энергии по диапазону значений крутизны (диапазону частот) будет в случае равномерной плот 45 ности распределения этих значений пропорционально натуральному логарифму от значения крутизны и равномерно в случае линейно нарастающей плотности распределения значений крутизны (фиг, 1),Задавая интервал значений крутизны сигнала 1, число значений 1,и плотность распределения значений К;, мож но задавать энергетический спектр сигнала 1, соответствующий диапазону рабочих частот ; =2 н Г 1 =2 Н К,/П аналого-циФрового преобразователя и тре 31 6 буемому распределению энергии по этсму диапазону, Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим ооразом,В исходном состоянии на выходе А (Фиг. 2) формирователя 6 установлен цифровой код, соответствующийзначению крутизны К; (Фиг, 1), На выходе Б установлен нулевой код, соответствующий положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значения и знака крутизны с выходов Формирователя 6 подаются на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя 7 в момент ,. (Фиг. 1) и преобразуются в напряжение, значение которого численно равно или пропорционально значению крутизны К,При П =, О напряжение в моментна выходе цифроаналогового преобразователя 7 изменится скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны К , Скачок напряжения подается на вход интегратора 8 с нулевыми начальными условиями, где интегрируется, В результате на выходе интегратора 8 формируется линейно изменяющийся сигнал 1 (Фиг, 1) с крутизной К; . Сигнал 1 поступает на вычитающие входыкомпараторов 13 и 14, которые сравнивают этот сигнал с опорными напряжениями Ц 8 верхней границы 2 диапазона преобразования АЦП 9 и Б нижней границы 3 этого диапазона,В момент с;, напряжение сигнала 1 становится равным Па, компаратор 13 срабатывает и сигналом с его выхода по управляющему входу В Формирователя 6 устанавливает в нем число, равное новому абсолютному значению крутизны К Одновременно с этим код знака числа изменяется на единичный,что соответствует отрицательному знаку крутизны, В момент С;на вход интегратора 8 скачком подается напряжение, равное или пропорциональное отрицательному значению крутизныК;,. В результате на выходе интегратора 8 Формируется линейно изменяющееся напряжение с крутизной - 11 д/(1 - С;,)=)К ). В момент С; срабатывает компаратор 14 и устанавливает в формирование 6 новоечисло с знаком, противоположным предыдущему. Процесс повторяется до тех пор,пока число И значений крутизны К;, 7 13024задаваемое по формуле (2), не будетисчерпано.Напряжение с выхода интегратора 8одновременно поступаети на аналоговыйвход испытуемого аналого-цифровогопреобразователя 9, на вход стробирования которого поступают синхроимпульсы 4 (фиг, 1) с выхода генератора 12 синхроимпульсов, Цифровые кодыс выхода АЦП 9 регистрируются.в блоке 10 регистрации. После окончаниярегистрации заданного числа раз 1,2кодов АЦП 9 с выхода блока 10 регистрации цифровые коды поступают ввычислительный блок 11, где посредством счетчика 15 подсчитывается число Ьвыпаданий каждого кода и посредством сумматора-вычитателя. 16 вычисляется разность этого числа и заданного Ь числа выпаданий, 20При практической реализации генератора 6 случайных чисел значение Ьчисла задаваемых крутизн может бытьограничено сверху, Тогда точность,определяемую заданным числом 1.; выпаданий каждого кода испытуемого АЩЧ,можно увеличить выбором в соответствии с формулой (2) интервала значений крутизны испытательного сигнала,Инструментальная погрешность изме- З 0рения динамической погрешности испытуемого АЦП предлагаемым устройствомопределяется только диапазоном значений случайных чисел. числом разрядови быстродействием цифроаналогового 35преобразователя и шумами аналоговогоинтегратора, При имеющихся в настоящее,время реальных ограничениях наэти параметры устройство позволяетизмерять динамическую погрешность 40аналого-цифровых преобразователей счислом разрядов до 14-16 и частотойдискретизации до 1-2,5 ХГц,31 8Формула изобретения Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразо-. вателей, заключающийся в том, что на каждом такте измерения формируют код, пропорциональный входному сигналу, запоминают полученный результат, после чего на заключительном такте подсчитывают число выпаданий каждой кодовой комбинации и с учетом его определяют динамическую погрешность, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в качестве входного сигнала используют линейно изменяющийся сигнал, одновременно с формированием кода сравнивают линейно изменяющийся сигнал с граничными значениями диапазона преобразования и в моменты равенства значений линейно изменяющегося сигнала последним, изменяют знак его крутизны на противоположный и при определении динамической погрешности используют величину, прямо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждой кодовой комбинации и соответствующего заданного числа, причем абсолютные значения крутизны входного сигнала задают случайно, а число изменений знака крутизны линейно изменяющегося сигнала задают следующим образом И=1, 2 аС/Т,где Ь - заданное число выпаданий каждой кодовой комбинации, ш - число разрядов испытуемого аналого- цифровог 6 преобразователя, ь й - период преобразования, Т -средняя длительнось интервала между моментами равенства, входного сигнала и грани чных значений диапазона преобразования.1302431 2 фг Составитель И. РомановаШандор Техред Л.Олейник Корректор М, Пож Ред Заказ 1225/ Тираж 902 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий5, Москва, Ж, Раушская наб, д. 4/5 1130 Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4