Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей и устройство для его реализации

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских(22) Заявлено 110981 (21) 3337444/18-21 И 1 М. Кл.з с присоединением заявки МН 03 К 13/02 Государственный комитет СССР оо делам изобретений и открытийОпубликовано 23.02.83. Бюллетень Мо 7 Дата опубликования описания 23.0283 Ф1.Ф;А.Я, Корсунский и Л.В. Зерани оЬ-(54) СПОСОБ ИЗИЕРЕНИЯ ДИНАИИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 1 2соединены с соответствующблока регистрации, выходподключен к входу вычислка, генератор синхроимпулСпособ основан на регтот выпадения Пцифровыхна. выходе АЦП при подачеизмерительного сигнала змы, т.е. с известным (гизаконом распределениягде щ - разрядность контАЦП. Оценка погрешности вком режиме осуществляетсянения зарегистрированныхдения кодов пт.с.гипотетив силу того, что имеют месоотношения. и" 11 пф 1 ем выборки, .ст бходимый для и ьтата с заданн ной вероятнос тветственно ги лпирическое зй нтования. атистическиолучения реой довери"тьютпотетическоачения шага е и нео зул тель ии. - соои э ква а основани деляются х начений погрешнос" полученных ак те рис тик оп Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в вычислительной технике и в цифровых системах связи для контроля аналогоцифровЫх преобразователей (АЦП).Известны способы измерения погрешности АЦП 1) и 2) .Однако способы не обеспечиващт достаточной точности оценки погрешности преобразования прн значениях частоты дискретизации Ю,.и частоты измерительного сигнала фб, соответствующих реальнья условиям работы быстродействующих АЦП. Кроме того, указанные способы не обеспечивают воэможности автоматизации процесса измерений.Известен способ измерения погрешности АЦП путем преобразования гармонического сигнала с заданным периодом и амплитудой в дискретные моменты вре. мени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого циФрового сигнала и сравнения этого числа с предвари-. тельно определенным числом, который реализуется устройством содержащим генератор измерительного сигнала, соединенным с входом поверяемого АЦП, информационный выход и выход сигнализации,конца преобразования которого ими входамикоторого ительного блоьсов 3). истрации чассигналов Нна его вход аданной форотетическим)12ролируемогодинамичеспутем сравчастот выпаческими и сто следующиети АЦП, например, интегральная и дифФеренциальная нелинейность.В качестве измерительного обычно используют периодический сигнал - пилообразный или гармонический вида йФ 0 оЕ 1 и(2 Щ+ 9), где 0 о - ампли туда,ф - начальная фаза. Гипотетические значения частот выпаданий кодов и,( при подаче на вход АЦП гармони(2 К)при О 4 92 ЖР (Ф) =О при других Ф4 2 О плотность распределения вероятности значений Е(1 к описывается закономарксинусаИсходя из значения в и 25 и по указанному. закону находят гипотетические значения.При проведении такого эксперимента возникает эффект 1 периодиэацииф так называемых биений измеритель-,ЗО ного сигнала и импульсов дискретиза- ции, для устранения которого в известном способе предусмотрена регистрация цифрового сигнала на выходе АЦП в случайные моменты времени Тс= Тт 6,5 где . псевдослучайная функция от целочисленного аргумента.,Рассмотрим подробнее эффект перно дизации. Пусть на вход АцП поступает периодический измерительный сигнал 0 = Г(1), период которого Т, а значения изменяются в пределах дина,мического диапазона АЦП -00) 0 о)г2 ф 45 Цифровйе 1 эквиваленты Б этого сиг",нала 0 = Е(") в моменты времениформируются иа выходе АЦП. Здесь5 Омоменты времени, определяемые соотно"шениемЬ = +Т = +(3-1)ТЧ(1) где Т - постоянн:й период, именуе-55ф мый в дальнейшем периодомдискретизации;начальная фаза дискретиэации, определяемая как произвольное значение из отрезка 60(О, Т);- момент дискретизации.Определим, когда в последовательности значений Е(1) начинается периодизация, т.е. начиная с какого ческого сигнала определяются исходяиз следующих соображений: цифровые 10эквиваленты Е(В) текущего. значения)гармонического сигнала постоянной ампЙитуды 0 о и постоянной частоты мож.но рассматривать как случайную величи..ну, если начальная Фаза 9 = Честь 15случайная величина. Если ф имеет равномерную плотность распределения веро(.ятности ,/ момента времени С имеет место следующееЯ,=(,Ф,)+;);-йе,)Чтобы имела. место система (2), в силу периодичности Функции необходимо выполнение соотношения;=+ +Етечгде =0,1, 2В силу соотношение (1) решение (2) сводится к решению уравнения1 т 9(-"М 1 еть. откудаТ6-1) - теи (3)Таким образом, если существуют такие целыеи Й, которые удовлетворяют выражению (3), то мы определяем, начиная с какого момента времени на" чинается периодизация последовательсти значений 0 . Если выражение (3) не имеет решения при целых ( и , периодизация не имеет места. Если Т и ТЕ рациональные числа,;выражение(3) всегда имеет решение, так как То-- можно представить как отношение двух целых взаилно простых чисел с и г. При -.1 г получаем 2 = с - целочисленное решение системы (3), т.е.г + 11 = сПоэтому, начиная с момента времени 1+с 1-го периода измерительного. сигнала начинается периодизация значений 0 , а следовательно и цифровых эквйвалентов й на выходе АЦП.Описанный эффект накладывает ряд особенностей на результаты, регистрируемые в процессе измерения1. Значение 0, где к Ъ , появляющееся после 0 равно одному из эначе"ний К(1) иэ рядагОс Оафф2, Значение 0 в момент времени Сявляется случайной величиной, пос" кольку 0 зависит отСФ,"-1 л 3При этом по условиям проведения эксперимента- случайная величина из интервала (О, Т),).3. ЭФфект периодизации может наступить и при2 Я", тогда часть возможных кодов Б из ряда В - 0 будет отсутствовать.4. Частота появления и значения 0" в выборке до наступлейия периоди,зации не является постоянной, а зависит от значения й и соотношения ТД)Ъ(1-1)с ц) :.1",Таким образом, эа 1 периодов измерительного сигнала на оси времени 1 25 раэ имеется множество Ь 1 . Обозначим через В объединение 1 множеств61: й; = Од( . Очевидно, количесте 1во появлений кода М равно числу мо- . ментов дискретизации, попавших на 30 множество В Обозначим это количест,ево и. Величина изависит от Г(й),1и соотношения ТЭХ /Т , т.е. и, ЧЕ(1), 1, Тэх/Т 9),так как Ф, случайная величина, распределенная с З 5 плотностью Р(Ф,), п также случайнаявеличина, и. р. Ь в которой опреде- ляется Р 1 н)= 40 Мыражение для Р(и:)ределим Р(и ) для В общ не получ частного м виде вется, Опслучая-ф1 етЮ(т) - периодигнал с периодолюбого кода Н иом имеемМ,Пустьразный с ский пилообТрхобщего чис 2 фф к вх 2,1 Т 1 .ЙЕ.Т 2 иф пустим, что или 55 с Тх ф Читало ние одно нала мож и появлений кода Б в тече 1о периода измерительного сиго оценить снизу величиной 69 ьЬили, учитывая принятые допущет фТвхния, 1"," - )1 периодов до началаь Тц.2 фф д 65 5. Для случая7 2 возможно, что при некоторых значенияхчасть п =О.д Таким образом, эффект периодизации при соотношении ТЭХ/Т 9 10, т.е. в ус- ловиях, близких к реальным условиям работы быстродействующих АЦП, приводит к искажению гипотетических значений и;, что делает невозможным оценку полученных в результате эксперимента эмпирических значений ия., а следовательно и измерение динамичес кой погрешности.Определим значение частоты и появления ; в выборке до наступленйя периодизации. Пусть за 1 периодов измерительного сигнала наступает фпериодиэацияф. Каждому из возможных кодов Ю соответствует определенный участок динамического диапазона измерительного сигнала, а следовательно и множество временных интервалов ай 20 .такое, что при 1 Е ЬС" появления фпериодизации соответственои,е:и 7 е 1 ип 1 еОткудаф - Ь- аиа СОбщее число моментов дискретизацииза 1 периодов и. С другой стороныт и = Т1 или ТР итЕ 1Тогда: 1) п 7 Я 112) и -1- -щ.1и и1 1 2 фф 2 ф.3) вероятность появления кода1ВР (И) =11 2 фф4) 71 или.ф 7 1и и.1 Зф1Полученные результаты для рассмотренного частичного случая позволяют сделать следующие выводы:а) проведение эксперимента при укаэанных условиях обеспечивает случайность факта появления некоторого кода В, причем вероятность появления любого кода постоянна и равна 1 , что2 ф полностью соответствует виду измерительного сигнала;б) вероятность .Р(И ) не зависит отюзначенияв) поскольку п 7 1 каждый из О, обязательно появляется на выходе АЦП,Таким образом, при проведении эксперимента при Твх 1 эффект периодизации, наступая йосле набора требуемого объема выборки и, не искажает результатов.При " - 1, например при ТТЭХТ. 2 фдх1000 нсек, ТЧ, = 100 нсек и щру 5 эфект ффпериодизации 1 ф наступает доабора необходимого объема выборки и.В известном способе для устраненияукаэанного эффекта предлагается каждый код 0;, полученный на выходе АЦП,включать в результирующую выборку послучайному закону - включать 0 с некоторой вероятностьв ОР либо не включать с вероятностью (1 -Ю ),Оцнако, если при некотором ий мыне получаем на выходе АЦП какие-либокоды Ю , то исключение ряда кодов иудлинение времени получения выборкииз конечного набора Н" не может изменнить конечный состав выборки. Крометого, этот прием не позволяет устранить зависимость и; от й ., т,е. изменение гипотетического значения п,от реализации к реализации.Цель изобретения - повышение точности измерения динамической погрешности, 999154Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей путем преобразования гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, одновременно с преобра зованием гармбнического сигнала осуществляют выделение последовательных временных интервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, и с произвольной начальной фазой для 15 первого интервала, а н качестве дискретных моментов времени используют случайные моменты, распределенные н укаэанных интервалах с равномерной плотностью вероятности. 20При этом в устройство для измерения динамической погрешности аналогоцифровых преобразователей, содержащее генератор измерительного си- нала, сое диненный с входом проверяемого анало го-цифрового преобразователя, информационный выход и выход сигнализации конца преобразования которого соединены с соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блоки генератор синхроимпульсов, введены. одновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и ключ запуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен.с входом синхронизации формрователя случайного сигнала, вход запуска которого сое динен с выходом фазового детектора, а вход разрешения - с выходом сигнализации конца преобразования пронеряе 40 мого аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор соединен с входом дискретизации проВеряемого аналого-цифрового преобразователя, 45 при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазоного детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора измерительного сигнала. 50На Фиг. 1 представлена временная диаграмма., пояснякщая сущность пред"лагаемого способа; на фиг. 2 - схема устройстна, реализующего предлагаемыйс способ.5.Сущность. предлагаемого способа заключается в следующем. На вход АЦП подается измерительный гармонический сигнал (эпюра 1). При .следовании импульсов дискретизации с постоянным 60 периодом Т эффект периодизации,. возникает при любых детермИнированнйх соотношениях Ти Т , при условиис 1, т.е. н режиме, соответ.техТс 2 ф 65 ствующем реальному режиму работы быстродействующих АЦП, Поэтому предлагается изменять значение Т 9,по случайному закону, а именно в пределах каждого последующего временного интервала, равного периоду измерительного сигнала Тех формировать импульс дискретизации в случайные моменты времени, причем плотность распределения вероятности Р(1 с) момента появления импульса дискретизации 1), в пределах соответствующего периода Тех описывается равномерным законом (зпюра б))ьх-ф ЬХЬ+)р).- ьхР У О Иля-, ЬСЕХ М 9 гиХ 1, где к = 0,1,2Начальная фаза Щ(1) отсчета первого временного интервала (эпюра 7) может принимать произвольное значение, не влияя на конечный результат, так как импульс дискретизации распределен по равномерному закону на нсем периоде входного сигнала.Таким образом обеспечивается выполнение условия проведения эксперимента с гармоническим сигналом путем выборки его значений в случайные моменты времени.Однако при проведении эксперимента следует учитывать особенности реальных АЦП, имеющих предельный период дискретизации Тф - минимальный временный интервал, необходимый для обра 9ботки входного сигнала. Его длительность определяется структурой преобразователя и является паспортной характеристикой каждого реального АЦП, в которых предусмотрен специальный выход Сигнализация конца преобразования. Для быстродействующих АЦП, предназначенных для обработки широкополосных случайных сигналов, имеющих 1 г ( г 1граничную частоту спектра 1 ехТ гвхзначение предельного периода дискретизации обычно определяется соотношением Т = Тех 2и лПри Т 9 = Т/2 и ТЕХ = ТЕ,с вероятностью Р = 0,5 возможен, вариант, когда импульс дискретизации поступает на АЦП до окончания предыдущего цикла преобразования, что приводит к искажению выходной информации. Поэтому при реализации предлагаемого способа, последовательно отсчитывая интервалы, Равные Тбх, фоРмиРовать импУльс Дискретизации следует лишь в том случае, если до этого появляется сигнал на Йыходе АЦП - Сигнализация конца преобразования. В противном случае интервал Тех отсчитывается, но импульс дискретизации не формируется (эпюры 6 и К, сечение АБ).Использование предлагаемого способа приводит в среднем к удвоению времени измерения. Однако при оценке динамической погрешности быстродействующих АЦП это время не превышает нескольких минут, поскольку преобразователи данного класса выполняют миллион и более преобразований в секунду.Устройство для реализации предлагаемого способа содержит генератор 1 измерительного сигнала, проверяемый АЦП 2, блок 3 регнстрации, вычислительный блок 4, одновибратор 5, Формирователь 6 случайного сигнала, фазовый детектор 7, генератор 8 синхроимпульсов и ключ 9 запуска. Выход генератора 1 измерительного сигнала соединен с входом проверяемого АЦП 2 и входом фазового детектора 7. Информационный выход и выход сигнализации конца преобразования проверяемого АЦП 2 соединены с соответствующими входа ми блока 3 регистрации, выход которого соединен с входом вычислительного блока 4. Выход генератора 8 синхроимпульсов соединен с входом синхрониза ции формирователя б.случайного сигнала, вход запуска которого соединен с выходом Фазового детектора 7, а вход разрешения - с выходом сигнализации конца преобразования проверяемого АЦП 2. Выход формирователя б соеди нен с входом одновибратора 5, выход которого соединен с входом дискретизации АЦП 2. При этом ключ 9 запуска управляет работой фазового детектора 7. 35Устройство работает следующим образом.Измерительный сигнал заданной частоты и амплитуды с выхода генератора 1 непрерывно подается на вхоц контрор лируемого АЦП 2 и фазового детектора 7. При замыкании ключа 9 фазовый детектор 7 подает импульсы на вход запуска Формирователя б случайного сигнала (фиг, 1, эпюра 7). Период. импуль 45 .сов равен периоду измерительного сигнала ТЗ 1(, а их начальная Фаза 9 н постоянна относительно некоторой произвольной фазы измерительного сигнала (фиг. 1, эпюра 7). В.соответствии с предложенньм способом значение 9 н не влияет на получаемые результаты.На вход синхронизации формировате-, ля б с генератора 8 поступает последовательность синхроимпульсов, следующих с периодом Т(фиг. 1, эпю ра 8) .При готовности АЦП 2 к обработкеинформации, т.е. при его включении или окончании преобраэования в предыдущем цикле, на выходе сигнализации 60 конца преобразования АЦП 2 появляется сигнал, поступающий на вход раэреЬения формирователя 6 (Фиг. 1, эпюра Г). В качестве последнего может быть использована схема на базе гене 65 ратора псевдослучайной импульсной последовательности. На выходе формирователя б импульс появляется в случайный момент времени в течение периода измерительного сигнала Т , отсчитываемого Относительно момента. поступления импульса с выхода Фазового детектораПри этом плотность распределения вероятности момента появления импульса в пределах ( О, ТЭх ) описывается равномерным законом (Фиг. 1 эпюра 6). Для реализации способа длина Ь псевдослучайной импульсной последовательности должна быть больше объема выборки и :Ьи.С выхода Формирователя б импульс поступает на одновибратор 5,который генерирует импульс дискретизации заданной длительности, необходимый для правильного функционирования АЦП 2.Таким образом начинается цикл преобразования измерительного сигнала. По окончании цикла на информационном выходе АЦП 2 появляется цифровой сигнал, соответствующий значению измерительного сигнала в момент поступления импульса дискретизации. При этом с выхода сигнализации конца преобразования АЦП 2 подается импульс на Формирователь 6 и.на блок 3 регистрации, разрешая запись цифрового сигнала с информационного выхода АЦП 2.Особенность работы Формирователя б случайного сигнала заключается в том,. что, если на его вход запуска импульс с выхода фазового детектора 7 поступает до появления на его входе разрешения импульса сигнализации конца преобразования, выходной импульс с равномерным законом распределения момента появления не Формируется.Выборка значений цифровых сигналов На выходе АЦП 2 Формируется вычислительным блоком 4, который регистрирует и цифровых сигналов с помощью блока 3 и определяет значения и по которым согласно способу вычисляются характеристики динамической погреш" ности АЦП 2.Величина Тси), определяется чэ следующих соображений.Известно, что при гармоническом сигнале, подаваемом на вход АЦП, величина временного интервала, соответствующего 1 кванту, не постоянна, а ее минимальное значение Л определяется из выраженияТьх Таким образом, необходимо потребовать, чтобы хотя бы один импульс синхронизации полностью находился в указанном интервалеТТфее ДЦР 4)Для удобства реализации берем це,лую часть от знаменателя, т.е. тьх ЫГ(,2"5 Ц 1 5Таким образом, предложенный способ позволяет оценить погрешность быстродействующего преобразователя в динамическом режиме при граничной часто)е спектра кодируемого сигнала и час О тоте дискретизации, близкой к предельной частоте АЦП данного типа, т.е. в условиях, соответствующих реальным условиям работы бЫстродействия АЦП.Использование изобретения позволя ет автоматизировать процесс измерения на базе универсальной мини-ЭВМ.В соответствии с предложенным способом и устройством был разработан и изготовлен лабораторный макет, эксплуатация которого показала следующие преимущества:а) повысилась достоверность оценки реальной характеристики квантования АЦП в динамическом режиме за счет 25 увеличения точности измерения реально го шага квантования;б) была обеспечена возможность оценки динамической погрешности АЦП при граничной частоте спектра входного сигнала и частоте дискретизации, близкой к предельной частоте АЦП данного типа.Так, например, быстродействующие АЦП, предназначенные для кодирования вещательного ТВ-видеосигнала, имеют З 55 частоту дискретизации 9 ъ 12 МГц при полосе частот кодируемого видеосигнала 6 МГц. Известный способ обеспечивает достоверный контроль при использовании периодического измерительно го сигнала с частотой ЧНс 1 МГц. Пред ложенный способ позволяет контролировать преобразователь при любых соотношениях 9 и фн, т,е. обеспечить контроль изделия в условиях, соответ ствующих реальному режиму работы быстродействующих АЦП. В соответствии с предложенным способом разработан и изготовлен макет устройства, обеспечивающий измерение динамической пог- у решности при частотах Ч"9,и соответ ственно 20 и 20 МГц. Эксплуатация макета позволяет выявить наличие значительной погрешности контролируемых АЦП при 9 т 3 МГц.. 55Формула изобретения1. Способ измерения динамическбй погрешности аналого-цифровых преобра"зователей путем преобразования гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчетачисла выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерения, одновременно с преобразованиемгармонического сигнала осуществляютвыделение последовательных временныхинтервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, с произвольной начальной Фазой для первогоинтервала, а в качестве дискретныхмоментов времени используют случайные моменты, распределенные в указанных интервалах с равномерной плотностью вероятности.2. Устройство для измерения динамической погрешности аналого-цифровыхеобразователей, содержащее генераор измерительного сигнала, соединенный с входом проверяемого аналогоцифрового преобразователя, информационный выход и выход сигнализации конца преобраэования которогосоединеныс соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключенк входу вычислительного блока, генератор синхроимпульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него введеныодновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и ключзапуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен с входом синхронизации формирователя случайного сигнала, вход запуска которого соединенс выходом фазового детектора, а входразрешения - с выходом сигнализацииконца .преобразования аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор, соединен с входом дискретизации проверяемого аналого"цифровогопреобразователя, при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазового детектора, сигнальный вход которого соединен с вы"ходом генератора измерительного сигнала.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 169294, кл. Н 03 К 13/02, 1963.2. Авторское свидетельство СССР9 310384, кл. Н 03 К 13/02., 19683. Е 1 е)сгоп 1)с, 1978, Ч 27,.Р 4, р, 57-101 (прототип).