SU1302431A1 - Способ измерени динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей - Google Patents

Abstract

Способ измерени  динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей может быть использован в сетевых измерительных системах. Способ заключаетс  в преобразовании линейно измен ющегос  испытательного стенда посредством испытуемого аналого-цифрового преобразовател . Одновременно с преобразованием сравнивают испытательный сигнал с границами диапазона преобразовани  испытуемого аналого-цифрового преобразовател . В моменты равенства испытательного сигнала с границами диапазона преобразовани  измен ют знак крутизны испытательного сигнала на противоположный и задают абсолютные значени  крутизны испытательного сигнала случайно с плотностью, распределени , определ емой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого аналого-цифрового преобразовател . Число значений крутизны задают по формуле N L- A.t/f, где L - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового пpeoбpaзoвateл , m - число разр дов испытуемого аналого-цифрового преобразовател , cJt - период преобразовани , Т - средн   длительность интервала между моментами равенства испытательного сигнала и границ диапазона преобразовани  испытуемого аналого-цифрового преобразовател . После этого регистрируют цифровой сигнал испытуемого преобразовател . Затем подсчитывают число выпаданий каждого кода аналого-цифрового преобразовател , а динамическую погрешность испытуемого аналого-цифрового преобразовател  определ ют как величину, пр мо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждого кода и заданного числа выпаданий . 2 ил. сл оо о to со

Description

1 . Изобретение относитс  к цифровой измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  динамической погрешности быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в измерительных

системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.

Целью изобретени   вл етс  повыинтервале , а знак и абсолютное значение крутизны измен ютс  согласно совокупности и последовательности выполнени  операций способа. В результате обеспечиваетс  измерение динамической погрешности испытуемого А1Щ при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический

спектр, соответствующий заданному шение точности измерени  динамической ,о энергетическому спектру входных сиг- погрешности АЦЦ.

На фиг. 1 приведены временные ди- ( аграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональна 

налов испытуемого АЦП и виду закона распределени  энергии по диапазону рабочих частот.В соответствии с предлагаемым спосхема устройства дл  реализации пред-f собом могут быть обеспечены наилуч- лагаемого способа,шие, с точки зрени  точности измереНа фиг. 1 показаны: линейно изме- ний, услови . Этим услови м удовлет- н ющийс  входной сигнал 1, подавае- вор ют: требование формировани  ли- мый на вход испытуемого АЦП, перва  2 (верхнее значение Ug) и втора  3 (нижнее значение U) границы диапазонейно измен ющегос  испытательного 20 сигнала, имеющего равномерную плотность распределени  значений в пределах диапазона преобразовани  испытуемого АЦП, и задание необходимого числа различных значений крутизны

на U Ug - UH преобразовани  АЦЦ, импульсы 4, обеспечивающие преобразование сигнала 1 АЦП, функци  5 числа

выпадани  каждого из кодов АЦП от ну-25 испытательного сигнала. Это позвол ет левого до 2 -1-го, где m - число увеличить точность измерени  динами- разр дов испытуемого АЦП, t, i чгской погрешности преобразовани , О, 1, 2,. . , N - моменты равенства благодар  обеспечению одинаковых ус- сигнала 1 и границ 2 и 3; bt - период ловий дл  числа выпаданий всех кодов преобразовани  АЦП, Т- - длительность ЗО испытуемого АЦП, устранению, незави- временного интервала между моментами симо от разр дности АЦП, эффекта пеи

t.4,

d- угол наклона 1-го

участка сигнала 1 по отношению к границам 2 и 3, К,- Uo/Tj - крутизна i-ro участка сигнала 1, N - число участков (крутизн) сигнала. Ц;, j 0,1,..., - значение аргумента ункции 5.

Под термином фрагмент сигнала

понимают участок линейно измен ющего- с го 12-14. Это обусловлено тем, что в

нем, независимо от разр дности АЦП,

с  испытательного сигнала, заключенный между границами изменени  сигнала по амплитуде и имеюш;ий посто нную производную по времени. Производную

исключаютс  вли ни  эффектов периодизации и амплитудного сдвига (сдвига нул  испытуемого АЦП) испытатель- по времени (графически, тангенс угла 5 ного сигнала в пределах диапазона наклона сигнала к оси времени) назы- преобразовани . По сравнению с изве- вают крутизной сигнала и обозначают стным предлагаемое устройство позво- буквой К. Таким образом, i-й фраг- л ет обеспечить услови  измерени  ди- мент сигнала имеет крутизну К-, намической погрешности испытуемого Предлагаемый способ позвол ет уве- Q АШТ, адекватные реальным услови м

личить точность измерени  динамической погрешности АЦП за счет обеспечени  адекватности условий измерени  реальным услови м работы испытуемого

АЦП в динамическом режиме. Конкретно случайных чисел, выходы цифровых коэто определ етс  формированием испытательного сигнала, значени  крутизны которого распределены случайно с плотностью распределени  в заданном

дов абсолютного значени  крутизны и ее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогово- го преобразовател  (ЦАП) 7, выход коинтервале , а знак и абсолютное значение крутизны измен ютс  согласно совокупности и последовательности выполнени  операций способа. В результате обеспечиваетс  измерение динамической погрешности испытуемого А1Щ при преобразовании испытательного сигнала, имеющего энергетический

спектр, соответствующий заданному энергетическому спектру входных сиг-

налов испытуемого АЦП и виду закона распределени  энергии по диапазону рабочих частот.В соответствии с предлагаемым спо ний, услови . Этим услови м удовлет- вор ют: требование формировани  ли-

нейно измен ющегос  испытательного 20 сигнала, имеющего равномерную плотность распределени  значений в пределах диапазона преобразовани  испытуемого АЦП, и задание необходимого числа различных значений крутизны

35

риодизации и исключению вли ни  амплитудного сдвига (дрейфа) испытательного сигнала в пределах диапазона амплитудных значений испытуемого АЦП.

Устройство, реализующее способ, обеспечивает точное измерение динамической погрешности АЦП с разр дностью;

исключаютс  вли ни  эффектов периоего работы.

Устройство дл  измерени  динамической погрешности АЦП (фиг.2) содержит цифровой формирователь 6 псевдодов абсолютного значени  крутизны и ее знака которого соединены с соответствующими входами цифроаналогово- го преобразовател  (ЦАП) 7, выход ко313

торого соединен с входом аналогового интегратора 8, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преоб разов ател  (АЦП) 9, выходы которого через блок 10 регистрации, соединены с входами вычислительного блока 11, генератор 12 импульсов. Выходы компараторов 13-и 14 подключены к управл ющим входам формировател  6 псевдослучайных чисел, а вторые входы компараторов 13 и 14 подключены, соответственно к источникам опорных напр жений U и U. Выход АЦП 9 через блок 10 регистрации соединен с входом вычислительного блока 11. Вы- ход генератора 12 синхроимпульсов подключен к входу стробировани  АЦП 9.

Кроме того, на фиг. 2 обозначены А - выход цифрового кода, соответст- вующего абсолютному значению крутизны формировател  6, Б - выход кода знака крутизны формировател  6, В - управл ющие входы формировател  6.

В соответствии со способом осуществл ют следующие оп ерации.

Формируют сигнал 1, необходимыми и достаточными услови ми дл  которого  вл етс  линейность изменени  во времени с заданной величиной крутизны К;. На фиг. 1 показан сигнал 1 со значением крутизны К. после начала формировани  и положительным знаком (нарастающий сигнал 1 от U к Ug).

Затем одновременно с преобразованием сигнала 1 испытуемым АЦП в моменты действи  импульсов 4 сравнивают сигнал 1 с границами 2 и 3 диапазона Цд преобразовани  испытуемого АЦП. В соответствии со способом, при сравнении, в моменты tj равенства сигнала 1 и границ 2 и 3 (фиг. 1) измен ют знак крутизны Kj на противоположный и задают другое абсолютное значение крутизны. Из фиг. 1 видно, что в момент t абсолютное значение крутизны изменилось на другое (iKj J I I ), а знак ее изменилс  на противоположный, поскольку сиг нал 1 стал спадающим от Ug к U.

Значени  крутизны сигнала 1 согласному способу задают случайно с плотностью распределени , определ в- мой энергетическим спектром входных сигналов испытуемого АЦП. Энергетический спектр сигнала 1 определ етс  из выражени 

314

S (и) м Ям - S (ы) г, (

N . ; .

где J - математическое ожидание выражени , сто щего в квадратных скобках; N - количество значений кру- тизн сигнала 1; Т - средн   длительность интервала времени, при котором сигнал сохран ет посто нную крутизну между моментами времени

N

Sjo)) G. (о)), 1 1.

где G - (о)) - Фурье-преобразование

фрагмента сигнала,имеющего i-ю крутизну; . 2Tif - циклическа  частота.

Динамическа  погрешность АЦП при преобразовании сигналов, имеющих на любой частоте энергию, не превышающую энергию сигнала 1 на этой же частоте , не больше, чем динамическа  погрешность при преобразовании сигнала 1 .

Таким образом, полностью удовлет- ,вор етс  адекватность услови  измерени  и реальных условий использовани  испытуемого А1Щ, что увеличивает

точность измерени  динамической пог- - - о

решности АЦП.

В соответствии со способом число значений крутизны задают по формуле

N L 2 -ut/T,

(2)

где L - заданное число выпаданий каждого кода испытуемого аналого-цифрового преобразовател .

Можно показать, что в случае задани  числа значений крутизны N по формуле (2) обеспечиваетс  исключение вли ни  эффекта периодизации на точность измерени  динамической погрешности АЦП.

.

Регистриру  согласно способу цифровой сигнал АЦП L 2 раз в моменты действи  импульсов 4, подсчитывают LJ - число выпаданий каждого, j 0, 1, 2, .. . , 2 - 1 кода АЦП. -Лри L :j 400-1000 относительна  norpein- ность дл  L j при задании числа N по формуле (2) составл ет не более 0,1- 0,15 с доверительней веро тностью 0,9973.

513024316

При известных заранее дл  АЦП ди- буемому распределению энергии по этс- апазоне преобразовани  Пд и числе раз- У диапазону.

р дов m может быть построена функци  Устройство, реализующее предлагае- 5 числа выпаданий L, каждого кода и способ, работает следующим оора5

АЦП. Значение приращений аргумента

зом.

и

функции определ етс  как U. -U.

В исходном состо нии на выходе А (фиг. 2) формировател  6 установлен цифровой код. Соответствующий значению крутизны К (фиг. 1). На вы U,.-

Учитыва  данные о погрешности L. , относительна  методическа  погрешВ исходном состо нии на выходе А (фиг. 2) формировател  6 установлен цифровой код. Соответствующий значе нию крутизны К (фиг. 1). На выность определени  Uj - и, составит JO ОД Б установлен нулевой код, соне более 0,1-0,15 от величины разрешающей способности (и,,/2 ) аналого- цифрового преобразовател , что пренебрежимо мало.

После подсчета числа L - динамическую погрешность АЦП определ ют согласно способу как

и

ответствующии положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значени  и знака крутизны с выходов формиров тел  6 подаютс  на соответствующие 15 входы цифроаналогового преобразоват л  7 в .момент (фиг. 1) и преоб разуютс  в напр жение, значение которого численно равно или пропорцио

Л - (L. - L) const (L.-L)-, (З: значению крутизны К. Ь JJ ,,, Пои и.. О н пп жйние  

JQ При и О напр жение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового пре образовател  7 изменитс  скачкообра но до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

JQ При и О напр жение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового преобразовател  7 изменитс  скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

т.е. как величину, пр мо пропорциональную разности числа выпаданий каждого кода испытуемого АЦП и заданного числа выпаданий.

Выбор числа значений крутизны сиг-25 i-,- Скачок напр жени  подаетс  на

нала 1 зависит от плотности их распределени  в интервале К ,KO, .J , где К

макс - a MHHJ -- мин мо Т - минимальное и максимальное значени  крутизны К,- и дли-30 тельности Т соответственно. Дл  двух практически важных случаев равномерной и линейной нарастающей плотностей распределени  количество крутизн

вход интегратора 8 с нулевьми начальными услови ми, где интегрируетс . В результате на выходе интегратора 8 формируетс  линейно измен ющийс  сигнал 1 (фиг. 1) с крутизной K.;,j . Сигнал 1 поступает на вычитающие входы компараторов 13 и 14, которые сравнивают зтот сигнал с опорными напр жени ми Ug верхней границы 2 диапа

сигнала Ш„ и N, соответственно оп- 35 ° преобразовани  АИД 9 и и„ нижней границы 3 этого диапазона.

редел етс  по формуле

V, Ь: J.Ilj aiisC lBii4.I

Р Т -Т 1 п (Т /Т ) -макс мин мим

(4)

L 2 At (Т,

2Т.

.uuftsl-IiaaK )

(5)

тизны К;

Одновременно с зтим код

знака числа измен етс  на единичный.

Распределение энергии по диапазону значений крутизны (диапазону час- соответствует отрицательному зна- тот) будет в случае равномерной плот- крутизны. В момент t , на вход ности распределени  этих значений .-пропорционально натуральному логарифму от значени  крутизны и равномерно

ти распределени  значений крутизны (фиг. 1).

интегратора 8 скачком подаетс  напр жение , равное или пропорциональное отрицательному значению крутизны К-.,, в случае линейно нарастающей плотное- -g результате на выходе интегратора 8

гптл T oriTTT iTT irT i члтжу Г1 п о тт л TiTJ-ri Tyr xTTiTJr / uri.

формируетс  линейно измен ющеес  напр жение с крутизной - Uд/(t. - С|.,) Задава  интервал значений крутизны сигнала 1, число значений Lи плотность распределени  значений К,-, мож- 55 мирование 6 новое число с знаком, но задавать энергетический спектр сиг- противоположным предыдущему, нала 1, cooтвeтctвyющий диапазону рабочих частот u)2Ttf 25Г Ki/U, ана- Процесс повтор етс  до тех пор, лого-цифрового преобразовател  и тре- пока число N значений крутизны К,-,

- 1К., I. В момент t,- срабатывает компаратор 14 и устанавливает в форзом .

В исходном состо нии на выходе А (фиг. 2) формировател  6 установлен цифровой код. Соответствующий значению крутизны К (фиг. 1). На Б установлен нулевой код, соответствующии положительному знаку крутизны. Коды абсолютного значени  и знака крутизны с выходов формировател  6 подаютс  на соответствующие входы цифроаналогового преобразовател  7 в .момент (фиг. 1) и преобразуютс  в напр жение, значение которого численно равно или пропорциои ьно значению крутизны К. Пои и.. О н пп жйние  

При и О напр жение в мрмент t-,j на выходе цифроаналогового преобразовател  7 изменитс  скачкообразно до величины, численно равной или пропорциональной значению крутизны

i-,- Скачок напр жени  подаетс  на

вход интегратора 8 с нулевьми начальными услови ми, где интегрируетс . В результате на выходе интегратора 8 формируетс  линейно измен ющийс  сигнал 1 (фиг. 1) с крутизной K.;,j . Сигнал 1 поступает на вычитающие входы компараторов 13 и 14, которые сравнивают зтот сигнал с опорными напр жени ми Ug верхней границы 2 диапа ° преобразовани  АИД 9 и и„ ниж

ней границы 3 этого диапазона.

В момент t-., напр жение сигнала 1 становитс  равным Ug, компаратор 13 срабатывает и сигналом с его выхода по управл ющему входу В формировател  6 устанавливает в нем число, равное новому абсолютному значению крутизны К;

Одновременно с зтим код

соответствует отрицательному зна крутизны. В момент t , на вход знака числа измен етс  на единичный.

соответствует отрицательному зна- крутизны. В момент t , на вход формируетс  линейно измен ющеес  напр жение с крутизной - Uд/(t. - С|.,) мирование 6 новое число с знаком, противоположным предыдущему, Процесс повтор етс  до тех пор, пока число N значений крутизны К,-,

- 1К., I. В момент t,- срабатывает компаратор 14 и устанавливает в форзадаваемое по формуле (2), не будет исчерпано.

Напр жение с выхода интегратора 8 одновременно поступает и на аналоговый вход испытуемого аналого-цифрового преобразовател  9, на вход стробиро- вани  которого поступают синхроимпульсы 4 (фиг. 1) с выхода генератора 12 синхроимпульсов. Цифровые коды с выхода А1Щ 9 регистрируютс , в бло- ке 10 регистрации. После окончани  регистрации заданного числа раз I/ 2 кодов АЦП 9 с выхода блока 10 регистрации цифровые коды поступают в вьтислительный блок 11, где посред- ством счетчика 15 подсчитываетс  число L j выпаданий каждого кода и посредством сумматора-вычитател .16 вычисл етс  разность этого числа и заданного L числа выпаданий.

При практической реализации генератора 6 случайных чисел значение L числа задаваемых крутизн может быть ограничено сверху. Тогда точность, определ емую заданным числом L выпаданий каждого кода испытуемого А1Щ можно увеличить-выбором в соответствии с формулой (2) интервала значений крутизны испытательного сигнала.

Инструментальна  погрешность изме рени  динамической погрешности испытуемого АПД предлагаемым устройством определ етс  только диапазоном значений случайных чисел, числом разр дов и быстродействием цифроаналогового преобразовател  и шумами аналогового интегратора. При имеющихс  в насто щее ,врем  реальных ограничени х на эти параметры устройство позвол ет измер ть динамическую погрещность аналого-цифровых преобразователей с числом разр дов до 14-16 и частотой дискретизации до 1-2,5 МГц.

-

j fO f5 20

,

-30 35 40

25

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ измерени  динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей , заключающийс  в том, что на каждом такте измерени  формируют код, пропорциональный входному сигналу, запоминают полученный результат, после чего не заключительном такте .подсчитывают число вьшаданий калдой кодовой комбинации и с учетом его определ ют динамическую погрешность, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени ,в качестве входного сигнала используют линейно измен ющийс  сигнал, одновременно с формированием кода сравнивают линейно измен ющийс  сигнал с граничными значени ми диапазона преобразовани  и в моменты равенства значений линейно измен ющегос  сигнала последним, измен ют знак его крутизны на профивоположный и при определении динамической погрешности исполь-- зуют величину, пр мо пропорциональную разности подсчитанного числа выпаданий каждой кодовой комбинации и соответствующего заданного числа, причем абсолютные значени  крутизны входного сигнала задают случайно, а число изменений знака крутизны линейно измен ющегос  сигнала задают следующим образом ,гдe L - заданное число выпаданий казкдой кодовой комбинации, m - число разр дов испытуемого аналого- цифровогб преобразовател , U t - период преобразовани , Т-средн   длительнось интервала между моментами равенства , входного сигнала и граниг чных значений диапазона преобразовани .

   t Л

   .0125 1/