Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналогового преобразователя

(51)5 Н ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ститут ство СССР/66, 1986. ИЯ ВРЕДНОГО ПРЕОБ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ МЕНИ УСТАНОВЛЕНИЯ СИГНАЛА ЦИФРОАНАЛОГ РАЗОВАТЕЛЯ(56) Авторское свидетельМ 1432776, кл. Н 03 М 1 бретения - повышение быстродействия устройства. Цель достигается за счет введения в устройство, содержащее блок 1 управления, регистры 2, 3, коммутатор 4, формирователь 5, цифроаналоговый преобразователь 6, сумматор 7, ключ 8, интегратор 9, компараторы 10 и 11, генератор 12 напряжения, компаратор 13, формирователь 14 строб-импульса, элементы задержки 15 и 16, счетчики 17, 18, элемент И 19, компаратор 20 кодов, элемент 21 ЗАПРЕТ, триггеры 22, 23, измеритель 24 временных интервалов, двух дополнительных регистров 26 и 27, коммутатора 25 кодов, дополнительного элемента И 28, причем счетчик 18 выполнен с переменным. коэффициентом пересчета. 1 ил,Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для применения в системах контроля динамических параметров ЦАП,Известно устройство для измерения времени установления выходного сигнала ЦАП, содержащее первый.и второй счетчики, первый и второй регистры, цифроаналоговый преобразователь, компаратор, кодов, два элемента задержки, элемент И, измеритель временных интервалов, коммутатор, выходы которого являются выходной шиной, а вход. управления соединен с первым выходом блока управления и входом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого через интегратор подключен к первому входу сумматора, второй вход которого является входной информационной шиной, а выход соединен с информационными входами ключа и первого и второго компараторов, вход стробирования первого компаратора объединен с одноименным входом второго компаратора, входом обнуления генератора линейно изменяющегося напряжения,.первым входом первого,триггера и подключен к выходу формирователя строб-импульса, вход которого соединен с выходом третьего компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно генератора линейно изменяющегося напряжения и формирователя порогового напряжения, первый вход которого подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, первый вход которого соединен с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к третьему выходу блока управления, вход измерителя временных интервалов соединен с выходом первого триггера, второй вход которого объединен с входом запуска генератора пилообразного напряжения, первый и второй входы элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а выход подключен к счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми информационными входами компаратора кода, вход обнуления соединен с выходом первого элемента задержки, первый вход которого объединен с первым входом второго триггера, входом обнуления второго счетчика и вторым входом формирователя порогового напряжения, третий вход которого объединен с вторым входом второго триггера и подключен к первому выходу компаратора кодов, второй выход которого соединен с вторым входом элемента ЗАПРЕТ, вторые информационные входы компаратора кодов являются входной шиной эталонного кода, а еговход управления объединен с вторым входом первого элемента задержки и подключен к выходу второго счетчика, счетный вход5 которого объединен с третьим входом элемента И и через. второй, элемент задержкиподключен к выходу формирователя стробимпульса, выход цифроаналогового преобразователя соединен с третьим входом10 сумматора, а его входы объединены с соответствующими первыми входами коммутатора и подключены к соответствующимвыходам первого регистра, выходы второгорегистра соединены с соответствующими15 вторыми входами коммутатора.В известном устройстве строб-импульссдвигается влево по временной оси черезинтервал ЬО, затем вправо на Ь 12 до совпадения с моментом окончания измеряемо 20 го времени установления,Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие. Для повышения точности при наличии шуманеобходимо увеличивать число усреднений,25 т.е. число измерений при фиксированномположении строб-импульса. При этом числоусреднений постоянно как при сдвигестроб-импульса влево (при грубой оценкевремени установления), так и при сдвиге30 строб-импульса вправо (измерении с требуемой погрешностью дискретности). Такимобразом, в известном устройстве время из-.мерения велико из-за большой величинычисла усреднений при сдвиге строб-импуль 35 са к началу переходного процесса.Например, при измерении туст в диапазоне 5 - 20 мкс при длительности одного измерительного такта Тт = 40 мкс, Ьс 1== 0,5 мкс,Ь 12 = 0,05 мкс на нижнем пределе40 число циклов сдвига строб-импульса влевопо временной осий 1 -" " " -- 30 .Лт 1 . 0545Максимальное число циклов сдвигастроб-импульса вправо временной оси с дискретностью Ьт 2 при максимальном пере- сдвиге Ьц50дц 2 = Дц/Лт 2 = 0,5/0,05 = 10,Суммарное число цикловМц = Мц 1+ Кц 2 = 30+ 10 = 40.Суммарное число тактов при числе усреднений в каждом цикле К = 1000Цель изобретения - повышение быстродействия устройства.Поставленная цель достигается тем, что 10 в устройство для измерения времени уста новления выходного сигнала ЦАП, содержащее первый и второй счетчики, первый и второй регистры, цифроаналоговый преобразователь, компаратор кодов; два элемен та задержки, элемент И, измеритель временных интервалов, коммутатор, выхо- ды которого являются выходной шиной, а вход управления соединен с первым выходом блока управления и входом запуска ге нераторалинейно изменяющегося напряжения, второй выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого через интегратор подключенк первому входу сумматора, второй вход кото- -25 рого является входной информационнойшиной, а выход соединен с информационными входами ключа и первого и вторОго компараторов, вход стробирования первого компаратора объединен с одноименным ЗО входдм второго компаратора, входом обнуления генератора линейно изменяющегося напряжения, первым входом первого триггера и подключен к выходу формирователя 35 40 мента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, авыход подключен к счетному входу первого счетчика, выходы которого соединенц ссоответствующими первыми информаци-55 йт=йц К=40 1000=4 10. Общее время измерения без учета цикла компенсации1 изм МтТт = 410 4010 = 1,6 с.4, -6 строб-импульса, вход которого соединен с выходом третьего компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно генератора линейно изменяющегося напряжения и формирователя порогового напряжения, первый вход которого подключен к выходу элемента ЗАПРЕТ, первый вход которого соединен с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к третьему выходу блока управления, вход измерителя временных интервалов соединен с выходом первого триггера, второй вход которого объединен с входом запуска генератора пилообразного напряжения, первый и второй входы эле-,онными входами компаратора кода, вход обнуления соединен с выходом первого элемента задержки, первый вход которого объединен с первым входом второго триггера, входом обнуления второго счетчика и вторым входом формирователя порогового напряжения, третий вход которого объединен с вторым входом второго триггера и подключен к первому выходу компаратора кодов, второй выход которого соединен с вторым входом элемента ЗАПРЕТ,.вторые информационные входы компаратора кодов являются входной шиной эталонного кода, а его вход управления объединен с вторым входом первого элемента задержки и подключен к выходу второго счетчика, счетный вход которого объединен с третьим входом элемента И и через второй элемент задержки подключен к выходу формирователя строб-импульса, выход цифроаналогового преобразователя соединен с третьим входом сумМатора, а его входы объединены с соответствующими первыми входами коммутатора иподключены к соответствующим выходам первого регистра, выходы второго регистра соединены с соответствующими вторыми входами коммутатора, введены дополнительные элемент И, два регистра кодов и коммутатор кодов, информационные входы которого соединены с выходами дополнительных регистров, выходы подключены к входной шине эталонного кода, а вход управления объединен с первым входом дополнительного элемента И и подключен к выходу второго триггера, второй вход дополнительного элемента И соединен с вторым выходом компаратора кодов, а выход - с входом управления измерителя временных интервалов, второй счетчик выполнен с переменным коэффициентом пересчета.Сущность изобретения заключается втом, что при грубой оценке времени установления (сдвиг строб-импульса влево на интервал Ь 1) число усреднений значительно меньше, чем при точном измерении круст (сдвиг строб-импульса вправо по временной оси). Это позволяет значительно сократить время на сдвиг строб-импульса к началу переходного процесса, сохранив точность, так как число усреднений при сдвиге строб-импульса вправо может быть выбрано из задан ной точности.Цель обеспечивается путем изменениякоэффициента пересчета счетчика, определяющего число усреднений, и изменением кода, подключенного на,входную шину эталонного кода. При грубой оценке туст число усреднений может быть выбрано значительно меньше, чем это необходимо для требуемой точности измерения, а сокращение числа измерений повышает быстродействие устройстваНа чертеже приведена функциональная схема устройства,Устройство содержит блок 1 управления, регистры входных кодов ЦАП 2 и 3, коммутатор 4, формирователь 5 пороговых напряжений, ЦАП 6, сумматор 7, ключ 8, интегратор 9, стробируемые компараторы 10 и 11, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 12, третий компаратор 13, формирователь 14 строб-импульса, элементы 15 и 16 задержки, первый счетчик 17, второй счетчик 18 с переменным коэффициентом пересчета, элемент И 19, компаратор 20 кодов, элемент ЗАПРЕТ 21, первый триггер 22, второй триггер 23, измеритель 24 временных интервалов, дополнительные коммутатор 25 кодов, регистры 26 и 27 кодов и элемент И 28, шину 29 эталонного кода, контролируемый ЦАП 30,Первый выход блока 1 управления соединен с входом ГЛИН 12, управляющим входом коммутатора 4 и одним из входов первого триггера 22, второй выход блока 1 управления соединен с управляющим входом ключа 8, Третий выход блока 1 управления соединен с входами установки в исходное состояние второго счетчика 18, формирователя 5 пороговых напряжений, второго триггера 23 и через элемент 15 задержки - счетчика 17.Выход сумматора соединен с информационными входами 10 и 11 компаратора и через ключ 8, интегратор 9 - со своим первым входом. Второй вход сумматора является входной шиной устройства для подключения контролируемого ЦАП, Входы стробирования компараторов 10 и 11 соединеныс входом обнуления ГЛИН 12, одним из входов триггера 22 и выходом формирователя 14 строб-импульса. Выходы компараторов 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И 19, третий вход которого объединен со счетным входом второго счетчика 18 и через элемент 16 задержки соединен с выходом формирователя 14, вход которого соединен с выходом третьего компаратора 13, входы которого соединены с выходами ГЛИН 12 и формирователя 5 порогового напряжения. Один из входов формирователя 5 соединен с вторым входом второго триггера 23 и первым выходом компаратора 20 кодов, а другой вход формирователя 5 - через элемент ЗАПРЕТ соединен с вторым выходом компаратора 20. Выход элемента И 19 соединен со счетным входом счетчика 17. Выход счетчика 18 соединен с входом управления компаратора 20 кодов и через элемент 15 задержки - с входом установки счетчика 17, выход которого соединен с первыми входами компаратора 20 кодов, вторые входы которого являются щиной 29 эталонного кода.Выход триггера 23 соединен с управляющим входом элемента ЗАПРЕТ 21.5 Выходы регистра 3 соединены с одними из входов коммутатора 4, вторые входыкоторого объединены с входами ЦАП 6 иподключены к выходам регистра 2. ВыходЦАП б соединен с третьим входом сумма 10 тора 7.Входы дополнительного коммутатора25 кодов соединены с выходами регистров26 и 27, а выходы подключены к шине 29эталонного кода. Управляющий вход комму 15 татора 25 соединен с первым входом дополнительного элемента И 28, входомуправления коэффициентом пересчета второго счетчика 18 и выходом триггера 23,Второй вход элемента И 28 соединен с20 вторым выходом компаратора 20 кодов, авыход - с входом управления измерителя24,Устройство работает следующим образом,25 Контролируемый ЦАП 30 подключаетсяв контактирующее устройство, к контактамкоторого подключаются входная и выходнаяшины устройства, а также источники йитания, балансировки, коррекции и т.д. (на фиг.30 не указаны, так как эти элементы определяются типом контролируемого ЦАП). Блок 1управления идентичен известному блоку управления, Коротким импульсом с третьеговыхода блока 1 устанавливаются в исходное35 состояние счетчики 17 и 18, триггер 23 иформирователь 5 пороговых напряжений.При измерении туст для кодов М 1 - И 2 кодй 1 заносится в регистр 3, а код й 2 в регистр2, В исходном состоянии (при отсутствии40 импульсов на первом выходе блока 1 управления) в такте балансировки через коммутатор 4 к контролируемому ЦАП 30подключается код И 2 регистра 2. Код й поступает также на вход ЦАП 6, на выходе45 которого. устанавливается сигнал (ток илинапряжение), противоположный по знакусигналу ЦАП 30 и примерно равный по величине (с точностью, обусловленной статической погрешностью ЦАП б и 30). При50 контроле умножающих ЦАП это наиболеепросто реализовать путем использованияпротивоположных по знаку опорных напряжений для ЦАП 30 и б. Опорное напряжениеможет быть и общим для обоих ЦАП, но ЦАП55 б должен содержать дополнительный инвертор выходного сигнала.Таким образом, независимо от кода И 2установившийся сигнал ЦАП 30 примерноскомпенсирован сигналом ЦАП б. Остаточный сигнал, обусловленный статической погрешностью ЦАП и напряжением (током)смещения сумматора 7, компенсируется спомощью интегратора 3, включаемого вцепь обратной связи сумматора 7 при замкнутом ключе 8 сигналом с второго выхода 5блока 1 управления, Выходной сигнал сумматора 7. равен нулю при любом коде Й 2,что позволяет формировать пороговыеуровни компараторов 10 и 11 относительно нулевого уровня, усилить и ограничить 10выделенный переходной процесс сигналаЦАП 6.Длительность такта балансировки определяется постоянной времени интегратора9, которая, в свою очередь, зависит от емкости конденсатора, запоминающего компенсирующее напряжение, Сокращениеизмерительного такта за счет дополнительных;элементов позволяет уменьшить влияние погрешности разряда конденсатора 20интегратора 9, уменьшить постоянную вре-,мени интегратора 9, сократить такт коррекции и повысить общее быстродействиеустройства.В измерительном такте ключ 8 сигналом 25с второго выхода блока 1 переводится в разомкнутое состояние, а на первом выходеблока 1 формируются импульсы .заданнойдлительности и частоты повторения, подключающие исходный код К 1 регистра 3 через коммутатор 4 к ЦАП 30.В момент окончания импульса происходит смена кодов М 1- М 2, на выходе ЦАП 30формируется контролируемый переходныйпроцесс. В этот момент времени переключается триггер 22 и запускается ГЛИН 12,выходное напряжение которого компвратором 13 сравнивается с пороговым напряжением формирователя 5, В исходномсостоянии это напряжение максимально, 40так что компаратор 13 переключается и формирователь 14 формирует строб-импульс.смаксимальной задержкой относительноначала переходного процесса. Величина первоначальной задержки Тэ макс выбирается 45равной максимальному значению измеряемого времени установления. На опорныевходы компараторов 10 и 11 подключенынапряжения, формирующие зону установления. например, равные + 0,5 значения 50младшего разряда ЦАП 30. Так как переходной процесс в момент стробированиязаведомо закончен, компараторы 10 и 11фиксируются в состоянии "1", Строб-им.пульс, через элемент 16 задержки и. элемент И 19 поступает на счетный входсчетчика 17,При выходном сигнале "0" на выходе .(триггера 23 к шине 29 эталонного кода через КОММутатср 25 ПадКЛЮЧЕН КОд йэт 1 дОПОЛ- нительного регистра 26, а коэффициент пересчета счетчика 18 равен п 1. Счетчик 18 заполняется строб-импульсами и после выполнения п 1 измерений при задержке строб-импульса Тз макс импульс переполнения счетчика 18 поступает на управляющий вход компаратора 20 кодов, Эталонный код 1 Чэт 1 МажЕт бЫтЬ ВЫбраН раВНЫМ 0,5 П 1, КОдСЧЕтЧИКа.17 будЕт бОЛЬШЕ Мэт 1, таК КаК ВЕРО- ятность фиксации компараторов 10 и 11 в единичном состоянии больше 0,5. Поэтому компаратор 20 кодов формирует импульс на втором выходе "Больше", который через элемент ЗАПРЕТ 21 поступает на первый вход формирователя 5 и вызываетуменьшение порогового напряжения на величину Ь О 1.Начинается второй цикл измерения, содержащий п 1 тактов (усреднений) при задержке, равнойТз макс - Л 11,где Ь т 1 = Ь О 1Я; .Я - крутизна ГЛИН 12После циклов, в каждом из которых строб-импульс сдвигается влево по временНОй ОСИ На ИНтЕРВаЛ Л 11, ВРЕМЯ ЗаДЕРжКИ тз 1 становится меньше измеряемого времени установлениятз 1 = Тз макс (1 Чу 1 - 1) Ьт 1 туст,выходной сигнал ЦАП 30 в момент стробирования находится вне зоны установления. Один из компараторов с вероятностью больше, чем 0,5, фиксируется в состоянии "0", и коД счетчика 17 бУДет меньше коДа Мэт 1. После п 1 тактов в цикле под номером Мц 1 компаратор 20 кодов формирует импульс на первом выходе "Меньше", который поступает на третий вход формирователя 5, увеличивая пороговое напряжение на величину ЬО 2 Ь О 1, и вызывает сдвиг строб-им- пульса вправо по временной оси на величинуЛт 2 = Л 02 ЯКроме того, триггер 23 переключается в единичное состояние импульсом с выхода "Меньше" компаратора 20, При этом коэффициент пересчета счетчика изменяется до величины п 2 п 1, а через коммутатор 25 к шине эталонного кода 29 подключается код Кэт 2 = 0,5 П 2, ДаЛЬНЕйШЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПРО- исходит при сдвиге строб-импульса к окончанию переходного процесса с дискретностью Л 12 Лц, что позволяет уточнить результаты измерения. Число тактов измерения (усреднений) в каждом циклесдвига вправо по временной оси п 2 выбирается, исходя из требуемой точности при наличии шума, что особенно важно при контроле 14 - 18 разрядных ЦАП.Сдвиг строб-импульса вправо по временной оси пРодолжаетсЯ йц 2 циклов до тех пор, пока время задержки снова не превысит крусттз 2 = тз 1+ йц 1 Ьт 2 == Тз макс (йц 1 - 1)Ьт 1+ йц 2 Ь 12 круст.Оба компаратора фиксируются в состояние "1" с вероятностью большей, чем 0,5, Код счетчика 17 после п 2 усреднений становится больше, чем йэт 2 Компаратор 20 формирует импульс на выходе "Больше", но пороговый уровень формирователя 5 не изменяется, так как сигнал "1" триггера 23 запрещает прохождение импульса через элемент ЗАПРЕТ 21, Положение строб-импульса на временной оси в дальнейшем не изменяется, а на выходе триггера 22 периодически формируются импульсы, длительность которых с погрешностью .ДИСКРЕтНОСтИ Ьт 2 РаВНа круст. ИЗМЕРИТЕЛЬ 24 может быть выполнен усредняющего типа.Введение в устройство дополнительного элемента И 28 позволяет также повысить быстродействие за счет получения информации об остановке строб-импульса. Когда Стрсб-ИМПУЛЬС СдВИНут На ВрЕМя 1 з 2 ПОяВЛЕ- ние импульсов на выходе элемента И 28, проходящих с выхода "Больше" компарато. ра 20 кодов, несет информацию об окончании процесса сдвига. При этом возможно однократное измерение измерителем 24 интервала круст Измеритель 24 при этом должен измерять каждый интЕрвал (а не усреднять большое число интервалов 1 уст). Число усреднений п 1 при грубой оценке (сдвиге влево на интервал Ьс 1) может быть достаточно малым, что позволяет уменьшить число измерений и повысить быстродействие.При величине шума, соизмеримой с шириной зоны установления, число усреднений п 1 нельзя выбирать очень малым. Например, при и= 1-2, возможна фиксация одного из компараторов в состоянии "0" даже при нахождении сигнала ЦАП в зоне установления, из-за однократной импульсной помехи, что приводит к завышению результата измерения. Потому число п 1 должно быть не менее 10-20.П р и м е р 1. При измерении времени установления круст в диапазоне круст,мин= = 5 мкс, круст.макс = 20 мкс длительность одного измерительного такта (период поступления импульсов с первого выхода блока 1 управления) Тт равна 40 мкс. Счетчик 18имеет коэффициенты пересчета п 1 = 100 и 5 п 2= 1000, а в регистры 26 и 27 занесеныкоды йэт 1= 50 и йэт 2= 500 соответственно.Пусть интервалы сдвига строб-импульса Ьс 1=500 нс, Ь 12=50 нс. На нижнем пределе измерения круст = 5 мкс число циклов сдвига .10 строб-импульса влевоС ст.макс - 1 ст,мин 20 - 5йц 1 -0,5Ьц15 Учитывая, что число усреднений в каж-дом цикле равно п 1 = 100, общее число тактов измеренияйт 1= п 1 йц 1= 30, 100 = 3000,20а время сдвига влевоТ 1 = Тт йт 1 = 40 мкс 3000 = 120 мс25 Максимальное число циклов при сдвиге строб-импульса вправойц 2 = Ь 1 /Ь 12 = 0,5/0,05 = 10.Число тактов сдвига вправо при усреднении п 2 = 1000Л 3 т 2= п 2 йц 2 = 1000 10 = 10 . 4 Время сдвига вправоТ 2 = Ттйт 2 = 40 макс 10 = 400 мс4Общее время измерения401 изм = Т 1+,Т 2 = 120 мс + 400 мс= 520 мсТаким образом, время измерения сокращается в 3 раза45 П р и м е р 2, Если выбрать п 1= 100, а .п 2= 3700, йэт 1; 50, йэт 2 = 1850, то Т 1 так и впримере 1 равно 0,12 с, аТ 2 = Тт йт 2 п 2 = 40 мкс 10 3700 = 1,48 с.4,50ВРемЯ измеРениЯ деизм = Т 1 + Т 2 = 0,12 ++ 1,48 = 1;6 с равно времени измеренияпрототипа, но точность устройства выше,так как число.усреднений п 2 больше, чем55 число усреднений в прототипе. Составляющая погрешности, обусловленная влияниемшумов, уменьшается примерно в "2" раза,при сохранении быстродействия, так как эффективность усреднения пропорциональна1716601 14 Йг, где пг - число усреднений, а число усреднений при сдвиге вправо увеличено в "4" раза при сохранении быстродействия.,50 Составитель И,РомановаРедактор И.Касарда Техред М.Моргентал Корректор В.Гирняк Заказ 618 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения 5 Устройство для измерения времени установления выходного сигнала цифроаналогового преобразователя по авт, св. гв.1432776, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в не-,10 го введены дополнительный элемент И, два дополнительных регистра кодов и ком мутатор кодов, второй счетчик выполнен с переменным коэффициентом пересчета, первые и вторые информационные входы, 15 коммутатора кодов соединены с соответствующими выходами соответственно первого и второго дополнительных регистров, выходы подключены к входной шине эталонного кода, а входуправления объединен с первым входом дополнительного элемента И и подключен к выходу второго триггера, второй вход дополнительного элемента И соединен с вторым выходом компаратора кодов, а выход - с входом управления измерителя временных интервалов, причем вход управления коэффициентом пересчета второго счетчика соединен с выходом второго триггера,