Способ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН у 4 Н 03 М ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ МИТЕТ СССР ИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ИДЕТ ЕЛЬСТ Н АВТОРСКОМ огрешем дотем из аций и ей между ЦАП и до ем допол ю (и+1)-й(54) СПОСОБ КАЛИУМНОЖАЮЩЕГО ЦИФРАЗОВАТЕЛЯ. измерительной т РОВКИ ЛИНЕЙНОСТИ АНАЛОГОВОГО ПРЕО ои счетезульносится к област ике и может быт.801317657 А 1 использовано для калибровки линейн ти умножающего цифроаналогового пр образователя (ЦАП) . Цель изобретения - повышение точности калибровк достигается за счет устранения ностей, связанных с формирован полнительной аналоговой меры п менения условий проведения опе мерения первых и вторых раэност выходным сигналом калибруемого полнительным сигналом, введени .нительных операций по иэмерени второй разности и дополнитель разности, а также изменением ных соотношений при обработке татов измерений. 3 ил,13 17657 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки линейности умножающего ЦАП при определении его градуировочной характеристики. 5Цель изобретения - повышение точ ности калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя,На фиг. 1 приведены статические характеристики 1 и 2 преобразования(сплошной линией - без изменения полярности опорного напряжения ЦАП; пунктирной - с изменением полярности опорного напряжения ЦАП)", на фиг, 2 - участок характеристики 3 преобразования умножающего ЦАП, используемый для представления одного аналогового эквивалента двумя различными кодами (прямым и дополнительным); на фиг, 3- схема устройства, реализующего предлагаемый способ калибровки умножающего ЦАП.Устройство калибровки содержит калибруемый ЦАП 4 выполненный на кодо 25 управляемом делителе 5, коммутаторе 6, выходном суммирующем элементе 7, резисторе 8 знакового разряда и инверторе 9, инвертор 10, микроЗВМ 11, источник 12 опорного напряжения, делитель. 13 напряжения, вольтметр 14 и переключатели 15 - 17.Сущность способ., калибровки умножающего ЦАП заключается в следующем.Статическая характеристика 1 преобразования описывается уравнением:о"ц "о( 2азн1-1 где П - выходное напряжение ЦАП;Б - опорное напряжение; 40а.,а- (1 либо 0) разрядные коэфФициенты,При переводе работы ЦАП в смежные квадранты преобразования (пунктирная линия) выходной сигнал описывается 45 выражением:оБ - Б(аь 2 а1=1 Зн 1 г З Езн-Г -Ег Ез Еке, - эквивалентный код включения 55первого (старшего) разряда с погрешностью Еиз первого квадрантапреобразования, Этот код являетсядополнительным, с погрешностями Е,+0 1 0 0 0 0 0 1 0 01 Сверху в первой квадратной скобке показан единичный код включения первого (старшего) разряда с погрешностью +из первого квадранта преобразования, а внизу, в этой же скобРежим работы испытуемого ЦАП в предложенном техническом решении соответствует характеристике 3. Ее левая ветвь образуется при включении знакового разряда преобразователя и одновременном изменении полярности входного аналогового сигнала (опорного напряжения), Характеристика 3 цифроаналогового преобразования в отличие от характеристики 1 и 2 имеет по два аналоговых эквивалента (одинаковых по модулю и знаку выходного аналогового сигнала), соответствующих двум различным кодам преобразования. При цифроаналоговом преобразовании каждый разряд преобразуется в свой аналоговый эквивалент согласно своему весу с погрешностью. Погрешность от включения -го разряда в первом квадранте имеет например, знак плюс и меняет свой знак при включении этого же разряда в смежном квадранте преобразования за счет смены знака опорного напряжения,Предположим, что включение старшего разряда в первом квадранте даетна выходе ЦАП величину аналоговогосигнала +5 В + 0,1 В (где +5 В - идеальное значение аналоговой величиныот включения старшего разряда; О, 1 В =Твесовая погрешность преобразования в первом квадранте), Второезначение сигнала +5 В, полученное вовтором квадранте преобразования с погрешностью, образуется суммированиемсигнала - эквивалента полной шкальгпреобразования с инверсным значениемразрядного веса 10 В - 5,1 В = 4,9 В,причем 4,9 В = 5 В - О, 1 В (где С"- ==-0,1 В),Представим единичные коды первого квадраНта и коды зквиваленты второго квадранта с их погрешностями группами, считая, что ЦАП имеет четыре основных разряда и один знаковый: О О О 1 О О О 0 О 1 (3)7657 4компенсации на дифференцИальных входах вольтметра 14 посредством регулировки делителя 13 напряжения иполученные на выходе вольтметра 14,можно представить: 131 Езнгде П 1Пг, , Б - идеальные значения аналоговых эквивалентов преобразуемых кодов А, В, С - компенсирующее напряжение, снимаемое с выхода делителя 13 напряжения.Вычитая из верхнегозначения аналогового эквивалента (2) нижнее в каждой квадрантной скобке, получают систему уравнений:(3)аз =2 ЕЭ+Е 2+Е 1 - Еэн Ь64 =2 Е 4+ЕЭ+ Е 2- Езнде- д - представляют собой втоРые 25 разности и могут быть получены, например, следующим образом. На вход ЦАП 4 подают единичный код, и при помощи делителя 13 напряжения компенсируют на входе дифференциального вольтметра 14 выходной сигнал ЦАП 4 до получения нулевого отсчета на выходе дифференциального вольтметра 14. После этого на вход ЦАП 4 подают другой код (дополнительный), соответствующий аналоговому эквиваленту перво 35 начально полученного вьфодного сигнала в соседнем квадранте преобразования, а на выходе дифференциального вольтметра 14 фиксируют полученное отклонение от первоначальной компенсации делителем 13 напряжения выходного с сигнала ЦАП 4.Зарегистрированная при этом вольтметром 14 величина напряжения является величиной ь.Решая систему (3) относительно весовых разрядных погрешностей Е 1Е 1, получают систему для 4-разрядного ЦАП:50 4223Ез , -Е 42 В общем виде любое уравнение системы (7) можно представить в виде:й; Л;1 д;г д 1+В Е 4 -14 2 4 8 16 16 3 и Е, соответственно. В остальных квапратных скобках приведены цифровые эквиваленты с весовыми погрешностями Е четырехразрядного умножающего ЦАП. Аналоговые эквиваленты прямого и дополнительного кодов после Б +Е -А 1 1 +Е - В2(2)П+Г -Е - Е - Е-С3 ЭН 1 2 Э,В общем виде любое уравнение системы (4) можно также представить, какЕ = - ( Е. -Е ) (5)11 что позволяет легко составить систему уравнений для ЦАП любой разрядности, Характерной особенностью преобразования умножающего ЦАП во втором квадранте преобразования является инвертирование аналогового вхрдного (опорного) сигнала. Чтобы погрешность инвертирования Енн опорного напряжения не входила дополнительной погрешностью при калибровке, учитывают, Енн с учетом весового перераспределения. При этом система (3) принимает следующий вид:11й =2 Е -Е -- Е1 1 Зн 2 нн31=22+Е - Е - -Еэн 4 нн(6).=2 ЕЭ+Е фЕзн- -ЕЭ 2 8 Инд =2 Е 4+Е +Е.+Е - Е -- Е154 э 1 зн 16 ннф Решая систему уравнений (6) отноительно погрешностей, получают систему; Еэн Еин(7) где К определяют из ряда 1/4, 1/4,3/8, 1/32, 1/32, 3/64, 1/256, 1/256,7657 6характеристики преобразования. С учетом использованных при выводе систему уравнений (3)1 представлений записывают следующие коды - эквиваленты со своими разрядными весовыми погрешностями:(11)35 Енн =у+ с. Е;+1 где Л- разница, зафиксированная цифровым дифференциальным вольтметрбм 14, между выходным напряжением ЦАП при всех включенных весовых раз40 рядах и напряжением, снятым с выхода дополнительного инвертора 10 (на схеме фиг. 3 такой режим организуется при состоянии контактов переключателей 15 и 16 в указанном на схеме по45 ложении и противоположном указанному положении для переключателя 17); Ч - единица младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП, значение которой находится в памяти микроЭВМ 11Для этого же типа ЦАП, выполнен- ного с инверсией на элементе 7, уравновешивание разрядных весов производится опорным напряжением делителя 13 55 через подключенный к его выходу переключателем 16 инвертор 10. Если же суммирующий элемент 7 не выполняет дополнительной функции инверсии, то 5 131 3/512, 1/2048, 1/2048; , для 1.= 1,2,3,4,5,6,7,8;9, Полагая Еи Е неизвестными величинами, необннходимо доопределить систему уравнений (7) . Наиболее просто это,можно сделать, используя предельные точки Считая, что Енн необходимо учитывать при калибровке ЦАП, имеющих 10 разрядов и более, слагаемым Енн /2 выражения (9) можно пренебречь. Тогда (9) принимает вид:нь,=Е,+ Ь- Езн(10) 1Из которого Ен = оп+1 -( 7 Е 1- Езн)1=1Выходной суммирующий элемент 7 ЦАП 4 может быть как инвертирующим, так и неинвертирующим. С учетом этого окончательное доопределение системы уравнений (7) для ЦАП представленной структуры с инверсией на элементе 7, наиболее просто достигается дополнительным уравнением: доопределение системы уравнений (7) до получения полного решения можно произвести, дополнив ее уравнением: Енн= Е 3 н 4 югде Ь - разница, зафиксированнаявольтметром 14,между напряжением на выходе ЦАП свключением лишь знаковым разрядоми выходным напряжением дополнительного.инвертора 10 при входном опорномнапряжении. Таким образом, дополнивсистему уравнений (7) двумя уравнениями (10)-(11) или (12) в,зависимостиот типа выходного элемента ЦАП, можнорасчитать не только весовые разрядные погрешности, но также определитьпогрешность знакового разряда. Определив из уравнений (7)-(12) весовыеразрядные погрешности, производяткалибровку линейности для любой точки шкалы по формулам:а-Я;,где Е; - весовая погрешность 1-горазряда,а- коэффициент, равный 1 или О,в зависимости от того, включен иливыключен соответствующий разряд ЦАП.Нормируемый для микроэлектронныхЦАП точностный параметр - нелинейность - находится по формулам:к(13)Н-Ев:агде Е ; , Е ; - разрядные весовые поГрешности со знаком "+" или "-1,причем 1+ш=п, если отсутствуют нулевые значения весовых разрядных погрешностей. При абсолютном сохранении для испытуемого ЦАП принципасуперпозиции на всех уровнях преоб"разования,.=Е к; (14)Ксю ф=фУстройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. 5На цифровой вход ЦАП подаюткоды, поочередно включающие каждыйраз весовые разряды преобразователя.Аналоговые сигналы напряжения,снимаемые с выхода ЦАП 4 и соответвующие разрядным весам, компенсируются на входе дифференциального вольтметра 14 напряжением, снимаемым свыхода делителя 13 напряжения черезпереключатель 17, если суммирующийэлемент 7 ЦАП 4 выполнен неинвертирующим. Если же суммирующий выходной элемент ЦАП 4 инвертирующий, токомпенсация выходных аналоговых. сигналов ЦАП 4 осуществляют по цепи;делитель 13 напряжения - контактыпереключателя 16 - инвертор 10 -контакты переключателя 17 - инвертирующий вход вольтметра 14. После этого каждый раз меняют на входе ЦАП 4цифровой сигнал одновременно с инвертированием на его аналоговом входеопорного напряжения посредством инвертора 10 и переключателей 15 и 16таким образом, что на выходе ЦАП 4 .создают сигналы, равные, без учетаразрядных погрешностей, по модулюи знаку соответствующим разряднымвесам. Полученные при этом на выходедифференциального цифрового вольтметра 14 разности йфиксируются в памяти микроЭВМ 11,Недостающие для вычисления весовыхразрядных погрешностей разности 6,1Д получают следующим образом:Фвключают все весовые разряды ЦАП 4,компенсируют выходным напряжениемделителя 13 сигнал с выхода ЦАП 4 навходе дифференциального вольтметра 14,после чего меняют на входе ЦАП 4 цифровой сигнал на код, соответствующийвключению знакового и МЗР. Одновременно подключают посредством переключателя 15 выход инвертора 10 к аналоговому входу ЦАП 4. При этом на выходе дифференциального. вольтметра 14получают разность й+1, которую затем подают на вход микроЭВМ 11. Разности й получают непосредственно пу 9тем подключения выхода инвертора 10через переключатель 17 к инвертирующему входу дифференциального вольтметра 14, а затем компенсацией напоижения на его входе сигналом с выхода ЦАП 4 путем включения либо одного его знакового разряда, либо всех весовых разрядов в зависимости от типа выходного суммирующего элемента 7 (инвертирующий или неинвертирующий). Далее микроЭВМ 11 согласно выражениям (7-14) обрабатывает результаты измерения до получения Н+ и Н и градуировки характеристики ЦАП в требуемых точках шкалы преобразования.Формула изобретенияСпособ калибровки линейности умножающего цифроаналогового преобразователя, основанный на последовательном для всех его и разрядов измерений первой разности между выходным сигналом калибруемого цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего единичного кода и соответствующим дополнительным сигналом и измерении второй разности между выходным сигналом калибруемого. цифроаналогового преобразователя при подаче на его вход соответствующего кода и тем же дополнительным сигналом и последующей обработке результатов измерений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьшения точности калибровки, одновременно с измерением первой разности осуществляют регулировку соответствующего дополни тельного сигнала до достижения первой разностью нулевого значения, измерение второй разности проводят при подаче на вход контролируемого цифроаналогового преобразователя, кода, дополнительного единичному, и при инвертировании его опорного сигнала после измерения вторыхразностей для всех разрядов осуществляют дополнительное последовательное измерение (и+1)-й первой разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя максимального положительного кода с одновременной регулировкой соответствующего дополнительного сигнала до достижения (и+1)-й первой разностью нулевого значения и измерения (и+1)-й второй разности при подаче на вход калибруемого цифроаналогового преобразователя кода, дополнительного коду при измерении (и+1)-й первой разности, и при инвертировании его опорного сигнала. После чего измеояют дополнительную разность между1317657 где 1=1 2пЛ - соответствующие измеренные гдевторые разности для =1п+1,6, - погрешность знакового разряда;1 и - погрешность инвертированного допорного сигнала,инвертированным опорным сигналом и выходным напряжением калибруемого цифроана)рогового преобразователя при подаче на его вход кода, соответствующего включению только знакового разряда, а при обработке результатов измерения определяют абсолютные погрешности разрядов калибруемого цифроаналогового преобразователя по формуле:д;2 2 2 ф2"Гзн+ у + Ки фЕл= 1+1-(-Зн)эрн=Езн-д,1 ОК. - коэФФициент, выбираемый иэряда 1/4, 1/4, 3/8, 1/32,1/32, 3/64, 1/256, 1/256,3/512, , соответственнодля 1.=1,2,3,4,5,6,7,8,9,ее.,определяют погрешность линейностикалибруемого цифроаналогового преобразователя по формулела;Е;,где а 0,1 значение соответствующего разряда для соответствующего кода 1 шкалы преобразования, и интегральнуюнелинейность калибруемого цифроаналогового преобразователя по формуламЕф, и,-.- положительные значения абсолютных погрешностей разрядов;Е - отрицательные значения абсолютных погрешностей разрядов калибруемого цифроаналогового преобразователя.13 7657 тель В.ПершиковЛ. Олийнык Корректор М.Шароши Соста хр Тираж 901 НИИПИ Государственног по делам изобретени 13035, Москва, Ж, 55 аказ 5 предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4 Производственно-пол чес Редактор Л.Пчелинска Подписноекомитета СССРи открытийаушская наб., д, 4