RU1777238C - Устройство контрол цифроаналоговых преобразователей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  нелинейности прецизионных циф- роаналоговых преобразователей (ЦАП). Цель изобретени  - повышение надежности . Устройство контрол  ЦАП содержит источник 1 опорного напр жени , первый и второй преобразователи ток - напр жение, выполненные на операционных усилител х 2 и 3 и элементах обратной св зи 4 и 5, аналоговые переключатели б и 7, вольтметр 8, отсчетно-регистрирующее устройство 9, блок 10 управлени , вспомогательный ЦАП 11, входные шины 12 и выходные шины 13- 15. Введение регулируемого элемента 5 обратной св зи второго операционного усилител  3, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом вспомогательного ЦАП 11 и с вторым неподвижным контактом первого аналогового переключател  б, позвол ет повысить надежность устройства . 1 ил. у Ё Ч| XI VJ hO СО 00

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  контрол  нелинейности прецизионных циф- роаналоговых преобразователей (ЦАП).

Известен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с.автокоррекцией (см. Хлюстов ГА и Берглезов С.М. Структурный метод повышени  точности цифроаналогового преобразовател . Сб. Полупроводникова  электроника в технике св зи под ред. И.Ф.Николаевского, вып. 27, М.: Радио и св зь, 1988, с, 187, рис. 4), содержащий п номинальных источников (НИ), п номинальных корректирующих источников (НКИ), п запоминающих устройств, устройство управлени , входной регистр, операционный усилитель с цеп ми подключени ,

Недостатком известного устройства  вл етс  его высока  структурна  и алгоритмическа  сложность, св занна  с реализацией алгоритма поразр дного уравновешивани .

Известно устройство дл  измерени  нелинейности цифроаналоговых преобразователей (см. авт. св. СССР № 731584, кл. Н 03 К 13/34), содержащее генератор импульсов , счетчик, опорный ЦАП, блок регулировки опорного ЦАП по крутизне, дифференциальный усилитель и нуль-орган, ключ, пиковые детекторы, инвертор, коммутатор , аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управлени , контролируемый ЦАП и клеммы подключени  контролируемого ЦАП.

Алгоритм определени  нелинейности ЦАП известного устройства использует следующее свойство: дл  ЦАП двоичного кода вследствие действи  погрешностей отдельных эталонных резисторов реальна  характеристика симметрична относительно точки Нмакс/2, расположенной на идеальной характеристике , котора  представл ет собой пр мую линию. А пр ма  лини , линеаризирующа  реальную характеристику наилучшим образом, проходит через ее центр симметрии.

Известное устройство обладает ограниченной точностью из-за наличи  погрешности за счет высокого уровн  синфазных сигналов на входе дифференциального усилител .

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  устройство дл  измерени  нелинейности ЦАП (см. авт. св. СССР № 1455389, кл. Н 03 М 1/10). представл ющее собой по существу самоповер емый ЦАП и содержащий основной и вспомогательный токовые цифроаналоговые преобразователи , входы которых соединены с выходом источника опорного напр жени , а

входы через переключатели подключены к входам преобразователей ток - напр жение , выходы которых подключены к входам вольтметра.

Недостатком известного устройства - прототипа  вл етс  его недостаточна  надежность , св занна  с наличием большого количества переключателей, реализующих алгоритм измерени  погрешности интег0 ральной линейности.

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности устройства путем сокращени  числа элементов коммутации аналогового сигнала.

5- На чертеже представлена функциональна  схема устройства.

Устройство контрол  ЦАП содержит источник 1 опорного напр жени , два преобразовател  ток - напр жение, выполненные

0 соответственно на операционных усилител х 2 и 3 и элементах обратной св зи (резисторах ) 4 и 5, два аналоговых переключател  б и 7, вольтметр 8, отсчет- но-регистрирующее устройство 9, блок уп5 равлени  10, вспомогательный ЦАП 11, две входные шины 12 устройство и три выходные шины 13 - 15.

При подключении контролируемого ЦАП его аналоговый вход объедин етс  с

0 аналоговым входом вспомогательного ЦАП 11, одновременно подключаетс  к выходу источника 1 опорного напр жени  и  вл етс  второй выходной шиной 14 устройства, а перва  выходна  шина  вл етс  цифровым

5 входом контролируемого ЦАП и первым информационным выходом блока 10 управлени . Вторые информационные выходы блока 10 управлени  подключены к цифровому входу вспомогательного ЦАП.

0 Перва  входна  шина 12 подключена к первому аналоговому выходу контролируемого преобразовател  и к подвижному контакту первого аналогового переключател  6. Первые неподвижные контакты аналоговых

5 переключателей б и 7 соединены с общей шиной, вторые неподвижные контакты переключателей 6 и 7 подсоединены к входам преобразователей тока в напр жение (контакт первого переключател  - к входу второ0 го преобразовател  тока в напр жение, и наоборот), причем управл ющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 подключены дополнительной шиной к выходам блока 10 управлени .

5 Третий выход 15 устройства  вл етс  выходом первого преобразовател  ток - напр жение и подключен к первому аналоговому входу цифрового вольтметра 8, второй аналоговый вход которого соединен с выходом второго преобразовател  тока в напр жение , а цифровой выход вольтметра 8 соединен с входом отсчетно-регистрирующего устройства 9.

Устройство контрол  ЦАП работает следующим образом и реализует следующий алгоритм измерени .

В начальный момент времени с блока 10 управлени  на управл ющие входы вспомогательного ЦАП 11 и контролируемого ЦАП поступают нулевые значени  кодов: ...0 и ...О, а на управл ющие входы аналоговых переключателей 6 и 7 - сигналы , устанавливающие на вторых выходах ЦАП нулевой потенциал общей шины. При этом на входы цифрового вольтметра 8 по- ступает напр жение

Ui(00...0)UcMi и 1)2(00...0)исм2, где LH(00...0)- выходной сигнал, преобразованный в напр жение контролируемого ЦАП при сигнале на его цифровом входе ...0;

1)2(00...0)- выходной сигнал, преобразованный в напр жение вспомогательного преобразовател  11 при сигнале на его цифровом входе ...0;

UCMI - напр жение смещени  первого операционного усилител  2;

1)см2 - напр жение смещени  второго операционного усилител  3.

При этом вольтметр 8 фиксирует напр - жение, равное

)см1 -11см2 .

На втором этапе аналоговые переклю- чатели 6 и 7 остаютс  подключены к общей шине, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 поступает максимальный код ... 1 и ...1. При этом на входы цифрового вольтметра 8 по- ступают аналоговые сигналы (Umaxi +1)См1) и (Umax2 +UCM 2). Регулировкой подстроечно- го резистора 5 устанавливают нулевое значение выходного напр жени  вольтметра 8.

(Umaxi +UcMl HUmax2 +UCM2 )0(2)

i{ioo.. .o)-U2(ioo. o)UHi-( Ai+

+ UcMlHUH2-(Al +UcM2)(3)

где UH UH2 номинальное значение напр жени  при коде преобразовани  ...0 на аппроксимирующей пр мой:

Ai - значение нелинейности в середине шкалы дл  контролируемого ЦАП:

AI - значение нелинейности в середине шкалы дл  вспомогательного ЦАП 11.

Уравнение (3) дл  третьего этапа будет преобразовано к виду

51 Ai1- Ai- ACM.

(3)

На четвертом этапе включают посредством блока 10 управлени  два старших разр да контролируемого ЦАП, оставл ют включенным старший разр д вспомогательного преобразовател  11 и переключают аналоговый переключатель 6 таким образом , что точка подключени  инверсного входа второго операционного усилител  3 становитс  точкой, суммирующей токи первого выхода вспомогательного преобразовател  11 и второго выхода контролируемого ЦАП. При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал

30

(110...0)(10...0)+Ul(001...1) -UH1 Ч Ae+UcM1 ) Ч Al+UCM2)

+ UH1 - Дг, UH1 UH2 +UH1,

(5)

где Дг - нелинейность контролируемого ЦАП в точке характеристики, соответствующей двум включенным старшим разр дам.

Так как ток, поступающий на вход контролируемого ЦАП от опорного источника 1, равен сумме токов, поступающих с первого и второго выходов контролируемого ЦАП, то lon li (NI) + И (NI), a I Ac I I Дг - модули равной и противоположны по знаку погрешности нелинейности.

Поэтому (5) можно представить в виде

Umaxi , Umax2 - максимальные действительные значени  характеристик преобразователей ЦАП при отсутствии смещений операционных усилителей 2 и 3.

На третьем этапе аналоговые переключатели 6 и 7 остаютс  в прежнем положении, а на цифровые входы контролируемого и вспомогательного ЦАП 11 подаетс  код на включение одного старшего разр да ......0.

При этом коды NI и N2 преобразуютс  в ток и далее в напр жение, поступающее на вход вольтметра 8

d2 Ai -2 Аг-Дсм.

(6)

На следующем, п том, этапе на контролируемый ЦАП подают код ...0. соответствующий включению трех старших разр дов, а вспомогательный код ...0. При этом вольтметр 8 регистри- рует сигнал (1110...0) - U2(no...o)+

+U1(00011...1} UH1 Ч Ao+UcMlHUH24 A2+Ucw2 +

+UH1 - Аз Дг -2 Аз- Дсм.(7)

Таким образом, увеличива  с каждым последующим этапом количество включавмых разр дов основного преобразовател , получили пуравнений:

5п Д п-1 -2Дп-До.

(8)

На (п+3)-м этапе переключатель 6 устанавливают подвижным контактом на шину нулевого потенциала, а переключатель 7 устанавливают подвижным контактом на соединение с суммирующим входом первого операционного усилител  2 и процесс повтор ют аналогично четвертому (п+2)-му этапам, с той лишь разницей, что управл ющие коды со значением NI, поступившие на контролируемый ЦАП, теперь подают на вспомогательный преобразователь 11. То же самое касаетс  кодов N. с указанным ранее значением, поступавших на вспомогательный преобразователь 11, а с (п+3)-го этапа - на основной.

То есть на (п+3)-м этапе на вход вспомогательного ЦАП 11 с блока 10 управлени  подают код ...О, а на вход контролируемого ЦАП код Ni-100..,0.

При этом вольтметр 8 регистрирует сигнал

{5n+1 Ul(10...0)+U2(0011...1)-U2(110...0) и..1-(Д 1+UcM2)+UH2- Д 2НиН2 -( + UcM2 ).

где Uni - -Una ин2, a |ДУI |Де |и величины противоположны по знаку. Раскрыв (9) получим

( -Д1-Дсм,

(Ю)

По аналогии получили дл  (п+4)-го этапа ,

д Аз - Да- Асм. а дл  2п-го этапа:

б Дп - Ли- Дсм,

где п - количество разр дов контролируемого и вспомогательного ЦАП.

Таким образом уравнени  (4), (6) - (8), (10) - (12) образуют систему из 2п-1 уравнений с 2п-неизвестными погрешност ми локальных нелинейностей.

Данную систему можно дополнить уравнением (2) Счита , ЧТО Умакс1 инмакс - Д п; имакс2 UnMaKc - Дп .

Подставив эти значени  в (2) получим

Дгг Ал Дсм (13)

Полученна  полностью определенна  система уравнений легко решаетс ,  вл  сь

при этом более нагл дной, если предварительно преобразована к следующему виду

5i (ДГ - ДО - Дсм

(52 + 5п+1 (Дг- Д1) + 2 ( - Д) - 2 Дсм

5з + W (Дг - Дг) + 2 (Дз1 - Дз) - 2 Дсм

5п + Wl (Д п-1 - Дп-1) + 2 (Дп1 - Дп) -2 Дсм

(Дп - До ) Дсм

Полага , что все значени  б 1... б (.., д п... 52п-1, Дсм получены путем- измерени  на ранних этапах, легко определить все локальные нелинейности Д | основного и Д | ВСПО- метательного преобразователей.

Решение еще более упрощаетс , если считать, например, что в процессе сведени 

конечных точек преобразователей за полюс отсчета принимаетс  крайн   точка характеристики одного из преобразователей, например контролируемого. Тогда в уравнении (13) и в последнем уравнении системы (14) Дп принимаетс  равным нулю.

Исследование линейности ЦАП описанным способом базируетс  на свойстве симметрии двоичных резистивных делителей (см. например, описание аналога авт.св. СССР № 731584, кл. Н 03 К 13/34), на базе которых выполнены вспомогательный и

контролируемый ЦАП.

Все локальные погрешности линейности как контролируемого ЦАП, так и вспомогательного: Д и Д вычисл ютс  в отсчетно-регастрирующем устройстве 9, а

затем из Д|-Дп определ етс  максимальное значение, которое и принимаетс  за нелинейность преобразовател .

В сравнении с известным устройством- прототипом по авт.св. СССР № 1455389. кл.

Н 03 М 1/10, предложенное устройство содержит на шесть меньше аналоговых ключей , которые наход тс  в цеп х измерительного сигнала.

Блок 10 управлени  в самом элементар- ном виде может быть выполнен наборным полем с ручным управлением, либо представл ть из себ  набор регистров с внешним управлением псгпрограмме ЭВМ.

В св зи с этим повышаетс  надежность предложенного устройства при полном сохранении свойств измерени  нелинейности ЦАП по всему диапазону преобразовани .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство контрол  цифроаналоговых преобразователей, содержащее первый и второй преобразователи ток-напр жение, выполненные на элементе обратной св зи и операционном усилителе, выходы первого и

   второго операционных усилителей подключены к первому и второму входам вольтметра , выходы которого соединены с соответствующими входами отсчетно-реги- стрирующего устройства, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей  вл ютс  шиной нулевого потенциала , а инвертирующие через соответствующий элемент обратной св зи подключены к выходу соответствующего операционного усилител , первый и второй аналоговые переключатели, выводы первых неподвижных контактов которых  вл ютс  шиной нулевого потенциала, вывод подвижного контакта первого аналогового переключател   вл етс  первой входной шиной, вывод подвижного контакта второго аналогового переключател  соединен с первым аналоговым выходом вспомогательного цифроаналогового преобразовател , управл ющие входы первого и второго аналоговых переключателей соединены с первым и вторым управл ющими выходами блока управлени , первые информационные выходы которого  вл ютс  первой выходной шиной, а вторые соединены с соответствующими информационными вхо- дами вспомогательного цифроаналогового

   преобразовател , аналоговый вход которого соединен с выходом источника опорного напр жени  и  вл етс  второй выходной шиной устройства, отличающеес  тем, что, с целью повышени  надежности,

   второй элемент обратной св зи выполнен управл емым, вход управлени  которого объединен с инвертирующим входом второго операционного усилител , с выводом второго неподвижного контакта первого

   аналогового переключател  и подключен к второму аналоговому выходу вспомогатель- кого цифроаналогового преобразовател , инвертирующий вход первого операционного усилител  объединен с выводом второго неподвижного контакта второго аналогового переключател  и  вл етс  второй входной шиной, а выход первого операционного усилител   вл етс  третьим выходом устройства.