DE2737583A1 - Verfahren zur automatischen monotoniefehlererkennung bei der analog-digital-umsetzung - Google Patents

Verfahren zur automatischen monotoniefehlererkennung bei der analog-digital-umsetzung

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DE2737583A1 DE19772737583 DE2737583A DE2737583A1 DE 2737583 A1 DE2737583 A1 DE 2737583A1 DE 19772737583 DE19772737583 DE 19772737583 DE 2737583 A DE2737583 A DE 2737583A DE 2737583 A1 DE2737583 A1 DE 2737583A1
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • HELECTRICITY
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

  • Verfahren zur automatischen Monotoniefehlererkennung bei dcr
  • Analog-Digital-Umsetzung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen MGnotoniefehlererkennung bei der Analog/Digital-Umsetzung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Eine der schwierigsten und wichtigsten Notwendigkeiten bei der Analog/Digital-Umsetzung ist die Prüfung und Uberwachung der geforderten Kennwerte. Hierzu gibt es eine Fülle von mehr oder weniger umständlichen Meßverfahren, deren Schaltungen - in der Regel aus Aufwandsgründen - nicht geeignet sind, sie in ein Gerät "A/D-Umsetzer" zu integrieren.
  • Außer der Auflösung, Genauigkeit und Umsetzgeschwindigkeit sind für A/D-Umsetzung noch weitere statische als auch dynanische Kenngrößen von Bedeutung. Fur die technisch leicht durchfuhrbare bekannte Rampenprüfung eignen sich vor allem diejenigen statischen Kennwerte, die die gesamte Kennlinie titer den Aussteuerbereich beschreiben. Damit ist es möglich die Linearität zu erfassen, die sich in drei weitere Parameter, die absolute Linearität, die differentielle Linearität und die Monotonie aufgliedert.
  • Wohl die schwerwiegendste Abweichung bei der Linearitätsmessung stellt die Nichtomonotonie innerhalb bestimmter Kennlinienabschnitte dar. In Fig. 6 ist eine Original-Rampe mit Knick wiedergegeben, aus der die Monotonie bzw. Nichtmonotonie anhand einer geknickten, A/D-gewandeltn Testrampe zu erkennen ist. Die Nichtmonotomie führt zu den sogenannten "Missing Codes-Fehlern" der A/D-Umsetzung. Durch diese Fehler wird die gewandelte Information erheblich verfälscht, d. h., dem Nutzsignalspektrum wird ein starkes Klirrspektrum überlagert.
  • Erfahrungsgema'ß kommen solche gravierenden Fehler bei komplexen ADU-Systemen haufig durch den Ausfall eines Kennlinienelementes, z. B. Komparators, oder durch weggedriftete Verstärkungs-und Lffseteinstellungen einzelner Wandlungsteilbereiche zustande.
  • Die Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe ein Monotoniefehler erkannt werden kann. Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild der automatischen Mcnotoniefehlererkennung dargestellt. Ein Analog-Digital-Umsetzer 1, der eine Ablaufsteuerung 2 enthält, auf weiche die Betriebrzustände gegeben werden, besitzt einen Eingang 3, über den das Betriebssignal eingegeben wird. Uber ein Relais 4 gelangt entweder das Betriebssignal oder das Testsignal von einem Prazisionsrampengenerator 5 in den Analog-Digital-Umsetzer 1. Von der Ablaufsteuerung werden in den Präzisionsrampengenerat'r Start- und Stopsignale gegeben. Außerdem wird von der Ablaufsteuerung die Zeitbasis to auf einen Monotoniefehlerauswerteteil 6 gegeben. Dieser Monotonietehlerauswerteteil 6 ist programmierbar. Vom Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 1 wir das Parallel-Wort auf seinen Ausgang 7 und das Test-Wort auf den Monotoniefehlerauswerteteil gegeben. Vom Ausgang 8 des Monotoniefehlerauswerteteils 6 wird der Monotoniefehler zu einer Anzeige bzw. zu einem Rechner geführt.
  • In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild des Präzisionsrampengenerators 5 dargestellt. Der Präzisionsrampengenerator 5 besteht aus einem löschbaren Synchronzähler 9, auf den der Zähltakt T und der Löschtakt Tcl gegeben werden. Mit dem Synchronzähler 9 ist ein Präzisions-Digital-Umwandler lo verbunden, auf den die digitale Rampe gegeben wird. Von ihm wird die analoge Treppenfunktion auf den Digital-Analog-Umsetzabtaster 11 gegeben, der im weiteren als Deglitcher bezeichnet wird. Ihm wird der Abtasttakt Tab eingegeben. Über einen Tiefpassfilter 11 wird die Testrampe dem Analog-Digital-Umsetzer zugeleitet.
  • In Fig. 5 ist dar Prinzipschaltbild des Monotoniefehlerauswerteteils 6 dargestellt. Es besteht aus einem Speicher- und Rechenteil 13 und rinem statistischen Auswertsteil 14. Im opeicher-und Rechenteil 13 sind enthalten: ein Register 15, ein Summierer 16 und ein Dual-Gray-Wandier 17. Auf das Register 15 wird der Rrgistertakt TR gegeben. Das Wort Xn von Analog-Digital-Umsetzter 1 wird einmal direkt auf den Summierer 16 und einmal über das register 15 auf den Summierer 16 gegeben. Vom Regiroter 15 gelangt es in deL Form Xn-1 auf den summierer 16, der es in der Form Yn auf den Dual-Gray-Codewandler 17 gibt. An diesem sind auswählbare Gray-Codestellen 18 angeschlossen, von denen das Wort in der Form Yn * auf den statistischen Auswerteteil 14 gegeben wird. Tm statistischen Auswerteteil 14 ist ein digitaler Integrator 19 enthalten, auf den der Zähltakt Tz geleitet wird. Mit dem Ausgang der digitalen Tnteg.ators 19 ist die Schwelle 20 verbunden. Die Schwelle 20 ist frei programmierbar. Von ihr wird der Monotoniefehler der Anzeige bzw. einem Rechner zugeleitet.
  • In Fig. 4 ist der Dual-Gray-Code-Umsetzer 17 mit seinen Gattern 21 dargestellt.
  • In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für den digitalen Integrator 19 angegeben. Als Beispiel ist eine 8-Bit Integration dargestellt. Außerdem ist in dem Ausführungsbeispiel die programmierbare Schwelle 20 enthalten. Der digitale Integrator enthält frei programmierbare 4-Bit Zähler 22 und 23. Die programmierbaren 4-Bit Zähler 22 und 23 sind mit einem 16-poligen Digitalschalter 24 verbunden. Von der ausgewählten Gray-Code- Stelle gi wird der Zähltakt auf die programmierbaren 4-Bit Zahler gegeben. Der Ausgang 25 des 4-Bit Zählers 23 ist mit der Anzeige bzw. dem Rcchner verbunden. Bei einem Überlauf erfolgt über ein Gatter 26, auf das auch die Zeitbasis to über den Eingang 27 gegeben wird, die Zurücksetzung des Integrator3.
  • Fiir diese Mvnotonieprüfung, Fig. 1, werden nach Fig. 6 besondere Testsignale, eine oder mehrere linesre Rampen mit einer bestimmten Anstiegs- bzw. Abfallrate benötigt. Diese Anstiegrate d U Rampe/dt wird so gewählt, daß der Wert xn des n-ten ADU-Ausgabewortes sich maximal zulässig nur um ein ADU-Inkrement q (LSB) bezüglich des vorangegangenen Wertes Xn-1 ändern darf. Mit q =#Xmax 2-N, wobei Xmax ~ E/max - Emin/ der volle Aussteuerbereich und N die Bitzahl (Auflösung) des ADUs darstellen, lautet damit die Bedingung fiir die Testrampen in Abhängigkeit der Umsetzrate FUm : dU Rampe/dt # q . fUm Die Umsetzrate fUm muß dabei keineswegs dem Kehrwert der A/D-Umsetzzeit Tum entsprechen. Bei ADUs mit k-facher Zwischenspeicherung beträgt sei z.B.: fUm # k . 1/T Außer dieser Zeitbedingung für die Testrampen unterliegen sie noch einer Amplitudenbedingung. Um den gesamten Kennlinienbereich auf Monotonie überwachen zu können, sollte die Amplitude der Rampe den vollen Aus steuerbere ich des ADUs abdecken.
  • Dieses im Präzisions-Rampen-Generator, Fig. 1 und 2, erzeugte Signal wird an den A/D-Umsetzer 1 geliefert, dort gewandelt, um dann als digitale Information dem Monotoniefehler-Auswerteteil 6, Mg. 3, zugeführt zu werden. Dabei iibernimmt die Ablaufsteuerung 2 des ADUs die Synchronisation des Prüfablaufes.
  • Der Auswerteteil der automatischen Monotoniefehlererkennung hat nun die Aufgabe festzustellen, in welchem Umfange sich der Wert des Rampenwortes xn vom Wert des vorangegangenen Rampenwortes Xn1 unterscheidet. Dazu wird im Speicher das vorangegangene Signal xn-1 einen Umsetztakt lang abgespeichert, um dann vom Signal Xn im Rechenteil subtrahiert zu werden. Ist der Unterschied =/xn - xn-1/ > q, so bedeutet la3, daß bereits ein Monotoniefehler mit der Größe Zn = Yn - q vorliegt.
  • Da nun in der Regel bei der Subtraktion das Ergebnis sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann, ist ein direkter Vergleich mit einer nachfolgenden Schwelle 20 nicht möglich. Diese Schwierigkeit wird dadurch umgangen, indem das Substraktionsergebnis Yn mittels eines Codeumsetzers, Fig. 4, vom Dualcode n in den Gray-Code uns übergeführt wird.
  • Durch diese Darstellung der Dualinformation Yn im Gray-Code mit seiner verschachtelten Betragsstruktur # = Modulo-Addition, wird die eigentlich notwendige und aufwendige Betragsbildung durch die wesentlich einfachere Gray-Code-Umsetzung ersetzt.
  • Für die Weitergabe des Mehrbit-Fehlers in der Form einer Finbit-Fehlermeldung muß jetzt das Gray-Code-Wort Yn* einer programmierbaren Prioritätsabfrage, Fig. 3, unterzogen werden.
  • D. h., der Anwender kann die maximale Stellenwertigkeit des Monotoniefehlers durch Ausloten der entsprechenden Gray-Code-Stellen gi selbst finden, bzw. die für sein System maximal zu erwartende Monotoniefehlergrenze frei programmieren.
  • Erfahrungsgemäß hat sich aber bei hochauflösenden ADU-Systemen gezeigt, daß so noch nicht das Optimum der Monotoniefehlererkennung erreicht werden kann. Das Eigenrauschen des ADUs sowie sporadische Systemstörungen hoher Intensität verfälschen die Monotonieprüfergebnisse.
  • Um dies zu vermeiden, wird eine einfache statistische Quswertung, d. h. eins arithmetische Mittelung des Fehlers gi nach der Prioritätsabfrage, Fig. 3 und 4, auf der Basis einer digitalen Integration und eines Schwellenvcrgleichs vorgenommen.
  • Damit kann die Monotoniefehlererkennung mit der.Fehlerdarstellung zn, und 1. = 1, 2, 3...to, der frei programmierbaren Schwelle 20 und der Integrationszeit basis to optimal auf Einzelstörungen und auf das Systemrauschen eingestellt werden.
  • Da hohe Stabilität und Linearitüt vom Testsignalgenerator gefordert wird, ist es zweckmäßig, ihn mit einem Präzisions-D/A-Umsetzer 10 in Verbindung mit einem Synchronizähler s entsprechender Bitzahl und einem Tiefpaßfilter 12 am Analogausgang aufzubauen. Außerdem kann zur Elimination der Übertragungsspikes im D/A-Ausganssignal ein sogenannter "Deglitcher" 11 in bestimmten Fallen notwendig werden.
  • Obwohl der rein digitale Auswerteteil wesentlich mehr Funktionen als die Testsignalerzeugung ausführt, ist er in der technischen Realisierung unproblematischer und mit den gegenwärtig verfügbaren MSI und LSI-Schaltkreisen klein und kompakt aufzubauen.
  • Um eine optimale Lösung mit minimalem technischen Aufwand zu erreichen, werden noch zwei Schaltungshinweise, die den Dual-Code-Umsetzer und den Integrator mit Schwelle betreffen, gegeben.
  • Der Dual-Gray-Code-Umsetzer, Fig. 4, kann sehr einfach aus Exclusive-OR/NOR-Gattern aufgebaut werden. Unter Verwendung von programmierbaren 4 bit-Zählerschaltkreisen, z. B.: der Type "193" bilden der Integrator 19 und die Schwelle 20, Fig. 5, eine Einheit. Die Integration- und Schwellenfunktionen werden dadurch erreicht, daß der Zähler ab einem ein gestellten Anfangszustand alle einlaufenden Fehler gi solange zählt, bis er an seinem Zählbereichsende angelangt ist.
  • Hier setzt er sicautomatisch durch Seinen Bereichsüberlaufimpuls auf den programmierten Anfangszustand zurück. Sin Bereichsüberlaufimpuls stellt damit gleichzeitig die gewünschte Fehlermeldung Zn dar. Durch den Integratorzurücke3etzungsimpuls Tc1 wird unabhängig vom Momentanzustand der Schaltung die Zeitbasis der Integration kontrolliert.
  • Diese Monotoniefehler, die sich aus der differentiellen Linearität ableiten und dadurch gesamtoffsetungabhängig sind, lassen sich leicht durch das neue Prüfverfahren auf der Basis eines Rampentests. erfassen.
  • L e e r s e i t e

Claims (4)

  1. Verfahren zur automatischen Monotoniefehlererkennung bei der Analog-Digital-Umsetzung P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Verfahren zur automatischen Monotoniefehlererkennung bei der Analog/Digital-Umsetzung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß lineare Testrampen mit bstimmer Anstiegs- bzw. Abfallrater gebildet werden, jeweils ein Analog/Digital gewandelter Festwert einen Systemtakt lang gespeichert wird, ein neuer vom gespeicherten Testwert subtrahiert wird, das Subtraktionsergebnis in den Gray-Code umgesetzt wird, das Subtraktionsergebnis in Gray-Code mit programmierbarer Priorität abgefragt wird, das Subtraktionsergebnis übe eine einstellbare Zeitbasis digital integriert wird, das integrierte Subtraktionser gebnis mit einer frei programmierbaren Schwelle verglichen wird und eine Einbit-Fehlermeldung ausgegeben wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß ein zu prüfendenr Analog/Digital-Umsetzer über eine Ablaufsteuerung, in welche die Betriebszustände eingegegeben werden, mit einem Präzisions-Rampen-Generator, in welchem ein Testsignal erzeugt wird, verbunden ist, daß der Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers und die Ablaufsteuerung mit einem programmierbaren Monotoniefahlerauswerte teil verbunden sind, dem von dem Analog/Digital-Umsetzer das Testsignal und von der Ablaufsteuerung die Zeitbasis zuführbar sind und daß der Monotonieauswerteil mit einer Anzeige bzw. einem Rechner zur Verwertung les Monotoniefehlers verbindbar ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Patentansprüch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ri e t , daß der Präzisionsrampengenrator aus einem löschbaren Synchron-Zähler fiir die Zuführung des Zähl- und des Löschtaktes, einem Präzisions-Digital/Analog-Umsetzer, einem Digital/Analog-Umsetzabtaster (Deglitcher). für die Zuführung des Abtasttaketes und einem Tiefpaßfilter besteht.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Patentansrpuch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Monotoniefehlerauswerteil aus einem Speicher- und Rechenteil, enthaltend ein Register zur Zuführung des Registertaktes, einem Summierer und einem Dual-Gray-Code-Wandler, und einem statistischen Auswerteil, enthaltend einen Digital-Integrator für di e Zuführung des Zähltaktes und eine frei programmierbare digitale Schwelle besteht.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERG,Arthur: A/D and D/A Converter testing: It isn't as hard as you think, In: Electronic Design 1974, Nr.7, S.64-69 *
PRATT,Bill:Test A/D Converters digitally by Use ofa Mikroprocessor or Minicomputer and a simple Basic Programm, In: Electronic Design 1975, Nr.25,S.86-88 *

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