Способ измерения параметров динамической характеристики аналого-цифровых преобразователей и устройство для его осуществления

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть исггольэовано для измерения парамет - ров динамических характеристик ана 5 лого-цифровых преобразователей (АЦП) высокой точности и быстродействия при их метрологической аттестации в динамическом режиме, а также в сетевых измерительных системах и автоматических сетях.Цел ь и зо бре тени я - повьицение точности измерения параметров,На фиг.1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие способ 1 на Фиг.2 - функциональная схема устройства для реализации способа.На фиг.1 показаны: 1 - периодический испьггательный сигнал", 2, - этот же сигнал с уменьшенной амплитудой; 20 3 - заданный опорный уровень, в конкретном случае равный нулю, 4 - производный от сигнала 1 пилообразный сигнал, который формируется в моменты перехода сигнала 1 через опорный 25 уровень 3 5 - вспомогательный медленно изменяющийся сигнал управления формированием тактовых сигналов при действии испытательного сигнала 1, б - среднее значение сигнала 5; 7 вспомогательный медленно изменяющийся сигнал управления формированием тактовых сигналов при действии испытательного сигнала 2, 8 - среднее значение сигнала 7, 9 - сигналы, соответствующие действительным моментам преобразованияиспытуемым АЦП сигнала 1 в точке А (сплошная линия) и сигнала 2 в точке Б (пунктирная линия), 10 - сигнал тактирования, 40 сформированный при сравнении сигнала 7 с сигналом 4, 11 - сигнал тактирования, сформированный при срав - ненни сигнала 5 с сигналом 41 бг =У - г- амплитудная погрешность1преобразования испытуемого АЦП в точке А при действии сигнала 1, г значение преобразованного аналогоцифровым преобразователем сигнала 2 в точке А, 7 - значение преобразованного аналого-цифровым преобразователем сигнала 1 в точке Л, 6 Б - разность средних значений б и 8 сигналов 5 и 7 соответственно, с - систематическая задержка сигналов 10 и 11 тактирования в испытуемом аналого-цифровом преобразователе, Ь ф - величина фазового сдвига, обусловленного. работой аналого-цифрового преобразователя в динамике при преобразовании сигнала 1, Т - период следования сигналов 1, 2.и 4", ( - частота их следования, ф - угол наклона сигнала 4 по отношению к опорному уровню 3.Устройство содержит генератор 12 испытательного сигнала, управляемый делитель 13 напряжения, испытуемый АЦП 14, блок 15 цифрового сравнения кодов, блок 16 задания кодов, генератор 17 пилообразного сигнала, компаратор 18, блок 19 Формирования медленно изменяющегося сигнала, цифровой интегрирующий вольтметр 20, вычислительный блок 21.Реализация способа предусматривает поочередную подачу на вход испытуемого АЦП испытательного сигнала 1 с уменьшенной амплитудой (сигнал 2) и увеличенной амплитудой (сигнал 1). Это обусловлено тем, что малая ампли - туда сигнала 2 имитирует квазистатический режим работы АЦП, сохраняя условия автоматической привязки к сигналу 1 при формировании тактовых сигналов в обоих случаях, причем чем больше разница амплитуд, тем лучше проявляется влияние увеличения скорости изменения сигнала в точке А на динамику испытуемого АЦП. Практически, если частота ( сигнала 1 выбрана близкой к верхней частоте спектра преобразуемых АЦП сигналов, то величина амплитуды сигнала 2 выбирается равной 5-107. динамического диапазона преобразования АЦП, а величина сигнала 1 выбирается равной половине или полному значению диапазона. Разбросы выбора частоты Г и амплитуды сигнала 2 в пределах 20 в 3 существенного влияния не имеют.Реализация способа производится следующим образом.При действии входного периодического сигнала 2 формируют тактовыесигналы со стабильной частотой =1/Т следования, соответствующей часготе следования сигнала 1 в моменты его перехода через опорный уровень 3, например в точках А.При формировании тактовых сигналов 10 сравнивают значения сигнала 4 с вспомогательным сигналом 7 управления формированием тактовых сигналов, который в исходном состоянии равен нулю. Одновременно со сравнением подают нг вход испьтуемого АЦП1 г" 172 сигнал 2, соответ,.твуюший умекьшенкому по амплитуде сигналу 1, В результате преобразования испытуемымАЦП сигнала 2 под действием сформированных тактовых сигналов 10 наего выходе Формируется код, пропорциональный значению К входного сигнала 1, Цанный код сравнивают с кодом опорного уровня 3 в моменты действия сигналов 9 (сплошная линия). Врезультате этого сравнения формируютвспомогательный сигнал 7 управленияформированием тактовых сигналов 10следующим образом, Если код, соответствующий результату аналого-цифровогопреобразования в момент действиясигнала 9 сплошная линия на Фиг,1).,меньше или равен коду опорного уровня 3, то сигнал 7 нарастает по величине, если код результата преобра "зования больше кода опорного уровня 3, то сигнал 7 спадает по величине,Описанный процесс многократно повторяется, после чего сигнал 7 окончательно устанавливается относительно его среднего значечия 8, а сформированные сигна 1 ы 10 и 9 займут положение, показанное на фиг. 1, Постоянная времени изменения сигнала 7такова, что время изменения его повеличине на цену кванта младшего разряда испытуемого АЦП равно временинескольких десятков периодов следования сигнала 4.Поскольку реальный испытуемый АЦПимеет систематическую задержку отсчета Д, величина которой заранеене известна, то управление формированием тактовых сигналов по резуль 40 50 55 татам сравнения кодов осуществляется таким образом, что среднее значение 8 сигнала 7 изменяется до тех пор, пока формируемый тактовый иг - нал не сдвинется на Дпо отношению к точке А.В частности, согласно фиг.1 изменения срецнего значения 8 сигнала 7 происходят так, чтобы в моменты равенства текущего значения сигнала 4 и сигнала 7 формируется тактовый сигнал 10, При этом действительный момент преобразования определяется сигналом 9, показанным сплошной линией, а вспомогательный сигнал 7 ке - значительно колеблется по отношению к своему среднему значению 8, поскольку код испытуемого АЦП, соот 5 10 5 2 С 25 30 35 ветствуюший значению У, сигнала 1в точке А, изменяется от кода уровня 3 к коду, большему его на единицумладшего разряда, и наоборот,Согласно способу измеряют среднее значение 8 сигнала 7, а затемувеличивают амплитуду сигнала 2 довеличины сигнала 1.В частности, из-за того, что крутизна сигнала 1 в точке А превышает3в этом случае допустимую скорость%изменения входного сигнала для испытуемого АЦП, код преобразуемогозначения У сигнала 1 в точке А стайновится меньше кода значения У, равкого коду опорного уровня 3, появляемся амплитудная погрешность ДУ илиАЦП "не успевает" правильно преобразовать сигнал 1 в точке А.С этого момента в результате сравнения кода, пропорционального преобразованному АЦП значению У сигнала1 в точке А, с кодом опорного уровня3 формируется аналогично описанномуновый вспомогательный сигнал 5, который сравнивают с текущим значениемсигнала 4. В результате сравненияформируют тактовые сигналы 11.При Формировании сигнала 5 происходит фазовый сдвиг на Ч 1 тактовыхсигналов 11 относительно сигналов 10,Сдвиг устанавливается после окончания формирования сигнала 5 и стабилизации его среднего значения б. Стабилизация среднего значекия И соответствует положению, когда при преобразовании испытуемым АЦП сигнала 1в точке Б на его выходе вновь появляется код, соответствующий коду нулевого уровня 3. При этом среднее значение И сигнала 5 таково, что при равенс,тве сигнала 5 с текущим значением сигнала 4 формируется тактовый сигнал 11, сдвинутый наД( по отношению к сигналу 10 так, что действительный момент преобразования, определяемый сигналом 9 (пунктир на фиг.1),соответствует преобразованию значения сигнала 1 в точке Б. Очевидно,что это значение будет таково, чтоможно скомпенсировать погрешность Д(и сделать ее равной нулю,Согласно способу измеряют среднеезначение И сигнала 5 и по разностисредних значений Ди определяют величину фазового сдвига из очередногосоотношенияЬч = ДЯ саФ (1)Покажем, что параметр а динамической характеристики АЦП определяется по формуле а динамика работы АЦП при преобразовании любых сигналов описываетсясистемой уравнений:г а 2 (с) + 2 = х(с)). (г.) = 11(2(г) ),где х(с) - произвольный входной сигнал АЦП,У(е) - выходной сигнал АЦП;У=Ь(2) - статическая характеристика преобразования АЦП. 1 О тотах.При этом параметры динамическойхарактеристики определяются из системы уравненийГ.к 1 а(,) = 2 ц Г- частоты периодического испытательного сигнала,Л - величина Фазового сдвигатактовых импульсов, соответствующая частоте Г,Е/2- целая часть от частногочисел 1 с и 2,тогда динамика работы АЦП будет описываться системой уравнений 25 ЗО 35 40а 2( (с)+а, Е (с)а 2 (с)+2(й) х(С)У (Е),чевидно, что во всех случаях описания динамических свойств АЦП параметры а, (1 = 0,1, 1 с) не зависят от преобразуемых сигналов, чтоувеличивает точность описания работыАЦП в целом.Выбор частот (1 осуществляется таким образом, чтобы была охвачена область определения верхней частотыспектра преобразуемых АЦП сигналов,а также области середины частотногодиапазона и граничных частот,Устройствб работает следующим образом,Выходной сигнал 1 с генератора 12поступает на вход генератора 17 пилообразного сигнала 4 и на аналогоВ общем случае для повышения точности измеряют 1 параметров динамической характеристики АЦП на 1 час вый вход. управляемого целителя 13 напряжения. Поскольку в исходном состоянии на всех выходах блока 16 задания кодов был нулевой код, то на управляющем цифровом входе управляемого делителя 13 отсутствует сигнал управления, в результате в блоке 13 установлен максимальный коэффициент деления и на его выходе действует сигнал 2 (фиг. 1) уменьшенной амплитуды, который поступает на вход АЦП 14.Одновременно с этим происходит сравнение сигнала 4 с выхода гене - ратора 17 пилообразного сигнала с медленно изменяющимся сигналом 7 (фиг,1) с выхода блока 19, Сравнение реали - зуется посрецством аналогового компаратора 18, в результате чего на его выходе Формируется тактовый сигнал 10, который поступает на входы тактирования АЦП 14 и блока 15 цифрового сравнения кодов.На выходе испытуемого АЦП 14 в моменты тактирования формируется код,пропорциональный значению У сигнала2 в точке А (фиг, 1), Этот код сравнивается в момент тактирования с нулевым кодом с второго выхода блока 16задания кодов, В результате, есливыходной код АЦП 14 меньше или равенпри сравнении коду с выхода блока 16,то сигнал с его выхода управляет блоком 19 таким образом, что выходноенапряжение на выходе блока 19 возрастает, Когда оно достигнет значения,при котором выходчой код АЦН 14 превысит код с выхода блока 16, выходнойсигнал блока 15 управляет блоком 19так, что напряжение на его выходеначинает уменьшаться, При этом среднее значение .апряжения (сигнал 8,Фиг. 1) с выхода блока 19 автоматически устанавливается таким, чтобытактовые импульсы формировались сучетом систематической задержки Г(фиг. 1) испытуемого АЦП 14. В результате действительные моменты преобразования соответствуют точке А,а управление формированием напряжения на выходе блока 19 (сигнал 7,Фиг. 1) обеспечивается только в моменты (сигнал 9, фиг,1), когда мгновенные значения напряжения на входеАЦП 14 равны значениям опорного уровня.Среднее значение напряжения навыходе блока 19 измеряется цифровым.интегрирующим вольтметром 20, с вы хада которого цифровой код поступает в зычислительный блок 21, Послеокончания цикла измерения вольтмет 5рам 20 в блоке 16 задают нулевой кадопорного уровня и единичный код выходов управления. При этом в управляемом делителе 13 устанавливаетсяменьший коэффициент деления. Этоопределяется тем, чта управляющийсигнал с выхода блока 16 действуетпа управляющему входу делителя 13, врезультате устанавливается максимальный коэффициент передачи н делителе13 и на его выходе появляется сигнал 1 (Фиг. 1) большей амплитуды,который поступает на вход АЦП 14.Одновременно с этим сигналом стретьего выхода бпока 1 б производится подготовка блока 21 к вычиследиям согласно соотношениям (1) и (2).При этом производится запись в блок21 цифравога кода, ранее измеренногосреднего значения 8 сигнала 7 с выхода циФрового вольтметра 20.При преобразовании сигнала 1 происходит Формирование нового сигнала 5(Фиг. 1) в блоке 19 в результате сравнения кода АЦП 14 и нулевого кода свторого вь;хада блока 16 н блоке 15циФрового сравнения кодов. Формируемый сигнал 5 изменяется так, чтав результате ега сравнечия с сигна.пам 4 с выхода генератора 17 формируются тактовые сигналы 11, сдвинутые относительно тактовых сигналов1 О предыдущего цикла формированияна Ь, Среднее значение 6 сигнала 5измеряется цифровым вольтметром 20 0и записывается в вычислитепьный алак21, где производится определение ве -личины Й(по разности Я средних значений 6 и 8 из соотношения (1) и затем определяется параметр динамической характеристики АЦП па соотношению (2),Ф а р м ул а и з о б р е т е н и я501,Способ измерения параметров динамической характеристики аналогоцифровых преобразователей, заключающийся в формировании двух перчадических испытательных сигналов, Фарми 55 равании тактовых импульсов с частотой следования периодических испытательных сигналов, формировании кода, пропорционального первому испытатель гдеЯ = ээ2 ГЕ - частоты периодическога испытательного сигнала;величина соответствующего фаному сигналу, и сравнении полученного кода с кодам опорного уровня в ф момент поступления тактовых импульсан, формировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения с одновременным измерением его среднего установившегося значения, которое запоминают в конце цикла измерения, а затем используют для вычисления параметра динамической характеристики, о т л и ч а ю щ и йс я тем, чта, с целью повышения точности измерения параметров одновременно с Формированием двух периодических испытательных сигналов формируют вспомогательный сигнал пилообразной Формы, при этом в первом цикле измерения в качестве первого периодического испытательного сигнала используют сигнал с амплитудой, соответствующей 5-102,от динамического диапазона аналого-циФрового преобразователя, во втором цикле измерения в качестве второго Периодического испытательного сигнала используют первый периодический испытательный сигнал с амплитудой, равной динамическому диапазону аналогоцифрового преобразователя, а формирование тактовых импульсов в каждом цикле измерения осуществляют в мо -мент равенства соответствующего медленна изменяющегося сигнала и вспомогательнага сигнала, после окончания второго цикла измерения по разностиизмеренных для каждого цикла средних значений медленно изменяющихся сигналов определяют величину фазового сдвига тактовых импульсов и запоминают ее, причем первый и второй циклы измерения повторяют для 1 частот первого и второго периодических испытательных сигналов с определением и последующим запоминанием соответствующих величин фазовых сдвигов, а параметры динамической характеристики определяют из системы линейных уравнений относительно коэффициентов асы 3зового сдвига тактовых импульс ов, с оо т ветс т в ующаячастоте Г. 2. устройство для измерения парач метров динамической характеристики аналого-цифровых преобразователей, содержащее генератор испытательного сигнала, компаратор, блок формирова- О ния медленно изменяющегося сигнала, выход которого подключен к входу цифрового вольтметра, а вход соединен с выходом блока цифрового сравнения кодов, первый вход которого яв ляется входной шиной устройства, а второй вход соединен с первым выходом блока задания кодов, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности намерения.параметров, 2 О введены генератор пилообразного сигнала, управляемый делитель напряжения и вычислительный блок:.зи чем выход генератора испытательного сигнала подключен к информационному входу управляемого делителя напряжения и входу генератора пилообразного сигнала,выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования медленно изменяющегося сигнала, а выход является выходной шиной тактовых импульсов и подключен к входу тактирования блока цифрового сравнения кодов, выход управляемого делителя напряжения является ь и;одной шиной устройства, а управляющий вход соединен с вторым выходом блока задания кодов третий выход которого подключен к управляющему входу вычислительного блока, информационный вход которого соединен с выходом цифрового вольтметра,163 1724 Составитель И.РомановаРедактор М.Келемеш Техред Л,Олийнык Корректор Л.Латай нат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10 изводственно-издательский ком Заказ 556 Тираж 456 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5