Устройство для определения характеристик аналого-цифрового преобразователя

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 01)и 4 Н ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) (21) (22) В 5нститут инженео транспорта кий и С.А.Дивнов тельство СССР 1/10, 1982.ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХА ОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕО( ) р е лительной и и предназначено пытаний анало вателей. Цель ние относится к вычисмерительной технике, для автоматизации исо-цифровых реобраэов изобретения является 9364194263837/24-2408.04.87(56) Авторское свидУ 936419, кл. Н 03 повышение точности определения значений погрешности аналого-цифровогопреобразователя, повышение достовер,ности оценок статических характерис"тик погрешности преобразования и расширение функциональных воэможностей.Устройство содержит аналого-цифровойпреобразователь 1, элементы 2, 14н 27 цифровой задержки, цифровыесумматоры 3,20-22, блок 4 вычислениястатистических характеристик, блок 5индикации, генератор 6 синусоидального напряжения, генератор 7 импульсов, частотомеры 8 и 9, блоки 10,11, 15-17.нелинейной функции, цифровые умножители 12, 13, 18 и 19, блок23 вычисления максимума, блоки 24и 25 инвертирования, блок 26 индикации и контроля. 8 ил.1457161 Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике,предназначено для автоматизации испытаний аналого-циФровых преобразова 5телей (АЦП), заключающихся в нахож. дении динамических и статическихпогрешностей АЦП, может найти широкоеприменение в информационно-измерительных комплексах, автоматизированных системах исследования и является усовершенствованием устройствапо основному авт. св. Р 936419.Цель изобретения - повышение точности определения значений погреш" 15ности аналого-цифрового преобразователя, повышение достоверности оценок статических характеристик погрешности преобразования и расширенияфункциональных возможностей, 20На Фиг, 1 представлена структурная схема устройства определения ха- -рактеристик аналого-цифрового преобразователя; на Фиг. 2 - структурная схема четвертого блока нелинейной Функции; на Фиг. 3 - б - структурные схемы первого, второго итретьего блоков нелинейной Функциии блока вычисления статистических характеристик соответственно на ЗОфиг. 7 и 8 - результаты исследованияработы устройства на численной моделиеУстройство содержит АЦП 1, первыйэлемент 2 цифровой задержки, цифровойз 5сумматор 3, блок 4 вычисления статических характеристик, блок 5 индикации, генератор б синусоицальногонапряжения, генератор 7 импульсов,два частотомера 8 и 9, первый блок 410 нелинейной Функции и второй блок11 нелинейной Функции, первый и второй цифровые умнажители 12 и 13,второй элемент 14 цифровой задержки, третий 15, четвертый 16 и пятый 4517 блоки нелинейной Функции, третийи четвертый цифровые умножнтели 18и 19, второй, третий и четвертыйцифровые сумматоры 20-22, блок 23вычисления максимума, два блока 24и 25 инвертирования, блок 26 индикации и контроля и третий элемент 27цифровой задержки. Четвертый блок 16 нелинейной Функции (Фиг, 2) содержит пятый, шестой и седьмой цифровые умножители 28-30, шестой блок 31 нелинейной Функции, третий блок 32 инвертирования, блок 33 суммирования и блок 34 масштабирования.Блок 10 нелинейной Функции (фиг. 3) содержит блок 35 деления, первый блок 36 масштабирования, блок 37 вычисления функции и второй блок 38 масштабирования.Блок 11 нелинейной функции (фиг.4) содержит блок 39 суммирования и блок 40 вычисления обратной величины.Блок 15 нелинейной функции (фиг.5) содержит цифровой умножитель 41, блок 42 инвертирования и блок 43 суммирования.Блок 4 вычисления статистических характеристик (Фиг. 6) содержит два блока 44 и 45 сравнения, два регист ра 46 и 47 памяти и блок 48 вычитания.Генератор 6 синусоидапьного напряжения и генератор 7 импульсов имеют установочные входы, посредством которых задаются значения частот генерируемых сигналов, а также амплитуда синусоиды.Синусоидальный аналоговый сигнал с выхода генератора 6 синусоидально,го напряжения поступает на рабочий вход АЦП 1, а сигнал с генератора 7 импульсов - на вход синхронизации АЦП 1. В момент поступления синхроимпульса АЦП 1 осуществляет преобразование значения аналогового сигнала, имеющегося в данный момент на его входе в цифровую формуОдновременно сигналы с генераторов 6 ипоступают на частотомеры 8 и 9, на выходы которых выдаются цифровые сигналы соответственно Й и Й , пропорциональные частотам сиг" налов, поступающих на их входы. Первый блок 10 нелинейной функции, на вход которого наступают цифровые сигналы Г и Г, выдает на выходе цифровой сигнал, равный2 "Гс-2 соз ( )йТретий блок 15 нелинейной Функции, на вход которого поступает цифровой сигнал с выхода первого блока 10 нелинейной Функции, вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный-2 соз( - ф) = -2 соз( )2 п 2 4 Йе Ъ Ъ В момент выдачи генератором 7 импульсов Е-го синхроимпульса на выхоз145716де АЦП 1 появляется цифровой сигналу, являющийся значением входногоаналогового сигнала в момент выработки 1-го синхроимпульса. Сигналу подается на вход первого цифрового сумматора 3 и на вход второгоцифрового сумматора 20. При этомпервый элемент 2 цифровой задержки,синхронизируемый генератором 7 импульсов, выдает сигнал у являющийся цифровым значением входногоаналогового сигнала в момент выработки (Е)-го импульса генератором 7импульсов, 15Сигнал у, после умножения вцифровом умножителе 12 на коэффициент2 иаэс-2 сов( ) поступает на вход суммайтора 3. 20Кроме того, в рассматриваемый мо мент времени на выходе второго элемвнта 14 цифровой задержки, синхронизируемого генератором 7 импульсов,выдается сигнал у, , являющийся цифровым значением входного аналоговогосигнала в момент выраббтки (К)-го.импульса генератором 7 импульсов.Сигнал упоступает на вход сум"матора 3, а также после умножения в 30цифровом умножителе 18 на коэффици4 ВЙ,ент -2 сов( ) ноступает на входЕвторого цифрового сумматора 20.В тот жемомент времени на выходе третьего элемента 27 цифровой задержки, синхронизируемого генератора 7 импульсов,выдается сигнал у , являющийсяцифровым значением входного аналогового сигнала в момент выработки46.Ос)-го, импульса генератором 7 импульсов. Сигнал у+ поступает навход цифрОвого сумматора 20. 1/(2 + 2/сов( )/)(3) Аналогично пятый блок 17 нелинейной функции вырабатывает в цифровом виде сигнал, равный обратной величине суммы модулей коэффициентов при выборках в выражении (2) т.е. сигнал Б, равный 1/(2 + 2/сов( )/).4 фс45(4) После умножения сигнала Д, (см. выражение (1, поступающего с выхода сумматора 3, на сигнал 3, (см. выражение (3 с выхода второго блока 11 нелинейной функции, осуществляемого цифровым умножителем 13, и умножения сигнала Ь (см. выражение (2, поступающего с выхода сумматора 20, на сигнал 8 (см. выражение (4 с выхода пятого блока 17 нелинейной функции, осуществляемого циф" ровым умножителем 19, на выходах цифровых умножителей 13 и 19 вырабаТаким образом, сумматором 3 вычисляется сигнал Ь ., равный у + (-2 сов(-у-у + у,(1) 2 фф с М.й -1-фФ где у ф, у.,у у 1, - выборки, т,е, цифровые значения мгновенных значенийсинусоиды (посту"пающей с генерато"ра 6 синусоидального напряжения),полученные в моментывозникновения соответственно Ь)-го, (1 с)-го, .(к)-го и, Е-гоимпульсов на выходе генератора 7импульсов;Е - значения оценокчастот соответственно синусоидального,;сигнала (навыходе генератора6 синусоидальногонапряжения) и им"пульсов (на выходегенератора 7 импульсов).При этом величины Д, и А характеризуют погрешности аналого-цифрового преобразования,Второй блок 11 нелинейной функциивырабатывает в цифровом виде сигнал,равный обратной величине суммы модулей коэффициентов при выборках в выражении (1), т.е, сигнал 8, равный1457161 тываются значения величин, характеризующих погрешности преобразования, приведенные к одной выборке.Величина, выработанная на выходе цифрового умножителя. 13, поступает на блок 4 вычисления статистических характеристик, а величина, выработанная на выходе цифрового умножителя 19, поступает на блок 23 вычисления 10 максимума. В данных блоках осуществляется вычисление оценок. Р, и Р максимального значения погрешности преобразования соответственно.Если оценки Р, и Р максимально го значения погрешностй, полученные на выходе блока 4 вычисления статистических характеристик и на выходе блока 23 вычисления максимума соответственно, отличаются друг от дру га, то зто свидетельствует о наличии составляющей погрешности, обусловленной погрешностью измерения частот,.ЦиФровой сигнал, равный величине 25 Р 1, после инвертирования в блоке 24 инвертирования и цифровой сигнал, равный величине Р, поступают на вход цифрового сумматора 21, в котором осуществляется вычисление цифра" 30 вого сигнала, равного величине (Р +. + (-Р.В четвертом блоке 16 нелинейной Функции, на вход которого поступают цифровой сигнал, равный 35 2 сБлок 34 масштабирования блока 16нелинейной Функции, на вход которогопоступает цифровой сигнал, равный40 2 Яс50 Данная величина поступает на входпятого цифрового умножителя 28, где умножается на значение Я (см,выражение (4) цифрового умножителя 28, где умножается на значение Я (см .выражение (4 цифрового сигнала, поступающего с выхода пятого блока 17 нелинейной функции. Таким образом, на выходе цифрового умножителя с выхода первого блока 10 нелинейнойфункции, цифровой сигнал 8 (см, выражение (4 с выхода пятого блока17 нелинейной функции цифровой сигнал З (см,выражение (3) с выходавторого блока 11 нелинейной Функцииицифровой сигнал, равный сумме(Р + (Р , с выхода третьего цифрового сумматора 21 осуществляетсявычисление цифрового сигнала Р, равного величине погрешности оценки Рвычисленной в блоке 4 вычислениястатистических характеристик,Данная величина индуцируется вблоке 26 индикации и контроля. Блок.26 может, например, содержать устройства для преобразования характеристики Р,в визуальное изображение,удобное для восприятия оператором,и сравкивающее устройство, вырабатывающее сигнал отказа, если значение величины Р превышает некоторый поЬрог, величина которого заранее определяется оператором на основании предварительных оценок точности работы отдельных блоков устройства (например, измерителей частоты - блоков 8 и 9).Кроме того, цифровой сигнал РА с выхода блока 16 нелинейной функцйи поступает после инвертирования в блоке 25 инвертирования на вход цифрового сумматора 22, на второй вход которого поступает цифровой сигнал, равный оценке Р, максимального значения погрешности работы АЦП 1, с выхода блока 4 вычисления статистических характеристик.Таким образом, на выходе цифрово" го сумматора 22 вырабатывается цифровой сигнал, равный величине которая является более точной оценкой максимального значения погрешности аналого-цифрового преобразования, так как в ней отсутствует составляющая ошибки Р, обусловленная конечной точностью измерения частоты сигналовПолученная оценка максимального значения погрешности работы АЦП 1 индуцируется в блоке 5 индикации. с выхода блока 10 нелинейной Функции (фиг. 2), вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный величине-48 соз( ) .9Данная величина поступает на первый вход блока 33 суммирования, на . второй вход которого поступает (после инвертирования в блоке 32 инвертирования) цифровой сигнал 8 (см. выражение (3 с выхода второго блока 1,1 нелинейной функции, На выходе блока 33 суммирования вырабатывается сигнал, равный величине 48 /соз( )/ + (-8,),2 нйс3Данный сигнал поступает на входшестого блока 31 нелинейной Функции,на выходе которого вырабатываетсяцифровой сигнал, равный148 /сов()( - 8,2 ийс3 Этот цифровой сигнал поступает на вход цифрового умножителя 30.На выходе шестого цифрового умножителя 29, на вход которого поступает цифровой сигнал, равный с выхода третьего цифрового сумматора 21 и цифровой сигнал 8, (см. вьг ражение (3 с выхода второго блока 11 нелинейной функции, вырабатывается цифровой сигнал, равный 8(Р - Р ).Данный цифровой сигнал также поступает на вход седьмого цифрового умножителя 30.Таким. образом, на выходе цифрового умножителя 30 вырабатывается сигнал Р, равный При этом выход цифрового умножителя 30 (Фиг. 2) является выходомблока 16 нелинейной функции.Блок 35 деления блока 10 нелинейной Функции, на вход которого пос.тупают цифровые сигналы Г и Г с выходов частотомеров 8 и 9 (Фиг. 2) соответственно, вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный отношению Г /2, Данный сигнал после умножения в блоке 36 масштабирования на коэффициент 2 ю поступает на вход блока 37 вычисления функции, на вы, ходе которого вырабатывается цифро вой сигнал, равный значению Функции 15 Данный сигнал после умножения вблоке 38 масштабирования на коэффициент (-2) поступает на выход блока 10 нелинейной функции.Блок 39 суммирования блока 11 не" 20 линейной функции, на вход которогопоступает цифровой сигнал, равный 211 Г-2 соз ( )3с выхода первого блока 10 нелинейной Функции (фиг. 1) вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный сумме Данный сигнал поступает на вход блока 40 вычисления обратной величины, на выходе которого вырабатывается цифровой сигнал, равный 1/(2 + 2/сов ( ) /) .2 аГс340При этом выход блока 40 являетсявыходом блока 11 нелинейной функции.Аналогично может быть реализовани блок 17 нелинейной Функции.45 Цифровой умножитель 41, на обавхода которого поступает цифровойсигнал с выхода блока нелинейнойфункции 10, равный вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный который (после инвертирования в бло 1457161ке 42) поступает на вход блока 43суммирования. Данный блок вырабатывает на выходе цифровой сигнал,равный 2 + (-4 соз (211 йсГ4 Ыс-2 соз( - ЧГкоторый поступает на выход блока 15 нелинейной функции.Совокупность блока 44 сравнения и регистра 46 памяти предназначена для вычисления наибольшего, а совокупность блока 45 сравнения и регистра 47 памяти - для вычисления наименьшего значения цифрового сигнала, поступающего на вход блока 4 вычисления статических характеристик.Рассмотрим работу блоков 44 и 45. Первоначально в регистр 46 памяти записан цифровой сигнал, равный нулю. Работа начинается с прИхода импульса с генератора 7 импульсов. По этому сигналу осуществляется передача содержимого регистра 46 памяти на третий вход блока сравнения, на второй вход которогб поступает цифровой сигнал с выхода цифрового умно- жителя 13, Блок 44 сравнения осуществляет сравнение цифровых сигналов, поступивших на его второй и третий входы, и к моменту поступления очередного импульса с генератора 7.импульсов вырабатывает сигнал на своем выходе только в том случае, когда цифровой сигнал на его втором входе больше цифрового сигнала на третьем входе (в регистре 46 памяти).Сигнал с выхода блока 44 поступает на третий вход регистра 46 памя ти. Данный сигнал (сигнал разрешения записи) осуществляет запись в регистр ,цифрового сигнала, присутствующего на его втором входе, до появления сигнала разрешения записи, Таким образом, до прихода очередного импульса с выхода генератора 7 импульсов в регистре 46 памяти будет записан код наибольшего из цифровых сигналов, выработанных к этому моменту на выходе цифрового умножителя 13.Аналогично работает и совокупность блоков 45 и 47, причем, в регистре 45 памяти будет храниться код наи" меньшего цифрового сигнала, выработанного на выходе цифрового умножителя 13.Блок 48 вычитания вырабатывает на выходе цифровой сигнал, равный разности наибольшего и наименьшего значений, т.е. равный оценке Р максимального значения погрешности.Аналогично может быть реализован и блок 23 вычисления максимума. Формула изобретения 1 О Устройство для определения характеристик аналого-цифрового преобразователя по авт. св. 9,936419, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с 5 линейной функции, а выход соединен с вторым входом третьего цифрового умножителя и с входом пятого блока не" 40 линейной Функции, выход которогосоединен с первым входом четвертогофцифрового умножителя и с вторым входом четвертого блока нелинейной функции, выход третьегоцифрового умножителя соединен с вторым входом второго цифрового сумматора, третийвход которого является входной шиной,а выход соединен с вторым входомчетвертого цифрового умножителя, выход которого соещнен с первым входом блока вычисления максимума, второй вход которого подключен к выходугенератора импульсов, а выход соединен с первым входом третьего цифрового сумматора, второй вход которогосоединен с выходом первого блока ин 50 55.,целью повьппения точности определения.погрешности преобразования, повыщения достоверности оценок статических характеристик погрешности преоб разования и расширения функциональныхвозможностей, в него введены третий,четвертый и пятый блоки нелинейнойФункции, третий и четвертый цифровыеумножители, второй, третий и четвертый цифровые сумматоры, блок вычисления максимума, два блока инвертирования, блок индикации и контроля итретий элемент цифровой задержки,первый вход которого подключен к вы ходу генератора импульсов, второйвход объединен с первым входом третьего цифрового умножителя и подключенк выходу второго элемента цифровойзадержки, а выход соединен с первымвходом второго цифрового сумматора,вход третьего блока нелинейной функции объединен с первым входом четвертого блока нелинейной функции иподключен к выходу первого блока не145716 43 жд СЬг.5 вертирования, вход которого объединен с первым входом, четвертого 3 рового сумматора и подключен к выхо" ду блока вычисления статистических характеристик, третий вход четвертого блока нелинейной функции подклю,чен к выходу второго блока нелинейной функции, четвертый вход соединен с выходом третьего цифрового сумма О тора, а вьисод - с входами блока ин 12дикацин и контроля и второго блока инвертирования, выход которого соединен с вторым входом четвертого цифрового сумматора, выход которого подключен к входу блока индикации, второй вход блока вычисления статистических характеристик подключен к выходу генератора импульсов, а выход блока индикации и контроля является четвертой выходной шиной.1457161 фИ Редактор А.Иотып 07 Тираж 885 . Подписноесударствеиного комитета. до изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, В 35Рауюская наб., д, 4/5 Гагар ф, г. Ужгород Производственно-издательский Заказ НИИПИ Составитель И.Ро Техред Л.Олийнык а Корректор .Э.Лончакова