Устройство контроля аналого-цифровых преобразователей

Устройство контроля аналого-цифровых преобразователей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах автоматического измерения и контроля нелинейности аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Цель изобретения - поаыиение точности измерения нелинейности АЦП. Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 шума, сумматор 3, проверяемый АЦП 4, накопитель 5, блок 6 быстрого1 преобразования Фурье, вычислитель 7 погрешности, индикатор 8. В качестве тестового сигнала используется сумма гармонического сигнала и шума. С помощью блока быстрого преобразования Фурье вычисляется спектр выходного сигнала проверяемого АЦП. Полученный спектр используется в вычислителе погрешности для формирования значений нелинейности для соответствующего значения выходного кода АЦП. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 M 1/10

ГОСУДАРСТЕЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 4602233/24 (22) 03.11.88 (46) 07.02.92, Бюл. Ь 5 (72) B.À.Màêîâèé (53) 681 325 (088 B) (56) Гитис Э.И. Аналого-цифровые преобразователи. M.: Энергоиэдат, 1981, с. 47.

Аналого-цифровые преобразователи./Под ред. Г,Д,Бахтиарова. М,: Сов. радио, 1980, с. 237, рис. 87. (54) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АНАЛОГОЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах автоматического измерения и контроля нелинейности аналого-цифровых преобразо1

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах автоматического контроля.и измерения пргрешностей аналого-цифровых преобразо, вателей (АЦП).

Целью изобретения является увеличение точности измерения нелинейности АЦП с монотонной характеристикой преобразования.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — функциональ ная схема блока управления.

Устройство содержит генератор 1 шума, генератор 2 гармонического сигнала, аналоговый сумматор 3, проверяемый АЦП 4, накоnèтель. 5, блок 6 6ыст р ого преобразования Фурье, вычислитель 7, индикатор 8, блок 9 управления.

Вычислитель 7 выполнен на делителе

10, оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) 11, умножителе 12, сумматоре 13, . Ж 1711327 А1 вателей (АЦП}. Цель изобретения — повы. ение точности измерения нелинейно:ти

АЦП. Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 шума, сумматор 3, проверяемый АЦП 4, накопитель 5, блок 6 быстрого преобразования Фурье, вычислитель 7 погрешности, индикатор 8, В качестве тестового сигнала используется сумма гармонического сигнала и шума, С помощью блока быстрого преобразования Фурье вычисляется спектр выходного сигнала проверяемого АЦП, Полученный спектр используется в вычислителе погрешности для формирования значений нелинейности для соответствующего значения выходного кода АЦП. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, блоке 14 задержки, вычитателе 15, компараторах 16 и 17, элементе И 18, блоке 19 ключей, блоке 20 задержки, сумматоре 21. делителе 22, вычитателях 23 — 25, делителе

26, умножителе 27. счетчиках 28 — 30, сумма- в торах 31 и 32, постоянном запоминающем в устройстве (ПЗУ) 33. (р

Блок 9 управления выполнен на генераторе 34 тактовых импульсов, счетчиках 35 и

36, одновибраторе 37, ПЗУ 38, тумблере 39.

Работает устройство следующим образом.

После подключения проверяемого АЦП к устройству происходит начальная установка генератора 2 гармонического сигнала сигналом иэ блока 9 управления. Тестовый сигнал формируется путем сложения в аналоговом сумматоре 3 выходных сигналов генератора 1 шума и генератора 2 гармонического сигнала. Суммарный сигнал представляет собой гармонический сигнал

S(t) = cos в t< с максимальной для проверяемого АЦП амплитудой, принимаемой за единицу, с добавлением раскачивающего шума с амплитудой, равной половине интервала квантования (половине младшего значащего разряда АЦП 4}.

После аналого-цифровогс преобразования суммарного тестового сигнала выходной сигнал АЦП 4 поступает на вход накопителя 5. Время накопления в накопителе 5 задается сигналом из блока 9. Синхронная с генератором 2 работа накопителя

5 обеспечивается с помощью сигнала (выход V) иэ блока 9 управления. При усреднении выходного сигнала АЦП 4 в накопителе

5 шумы квантования ослабляются, а помехи нелинейности остаются без изменения, Сигнал с.выхода накопителя 5 поступает на вход блока 6, в котором цифровые отсчеты тестового сигнала преобразуются в спектральную область. Время обработки

Т06р- в блоке 6 определяется сигналом из блока 9 управления. Спектр сигнала на выходе блоха 6 содержит кроме основной составляющей тестового гармонического сигнала его гармоники, несущие информацию с нелинейности АЦП 4, Цифровой спектр сигнала nîñòónàåò на вход вычислителя 7 погрешности. При этом на второй вход вычислителя 7 поступают тактовые импульсы, а, на третий вход — управляющий сигнал из блока 9 управления. С выхода вь,:::.ислителя 7 погрешности на вход индикатора 8 поступают значения интегральной д и дифференциальной д LD нелинейностей, а также значение веса W i-го уровня квантования проверяемого АЦП (выходной код АЦП), для которого вычислялось значение нелинейности, Дпя описания алгоритма работы вычислителя 7 погрешности достаточно представить реальный АЦП в виде последовательного соединения безынерционного нелинейного элемента (БНЭ} и идеального АЦП (АЦП с нулевой погрешностью).

При прохождении гармонического сигнала через БНЭ возникают гармонические составляющие, которые однозначно связаны с характеристикой преобразования

БНЭ. Сигнал с выхода БНЭ подается на идеальный АЦП (АЦП без погрешности), который вносит шумы квантования. Аналитически связь характеристики преобразования БНЭ F(S) при гармоническом входном сигнале со спектром выходного сигнала можно записать в аиде где S — входной сигнал АЦП (S = cos в t); ал — спектральные отсчеты выходного сигнала (гармоники входного сигнала);

Тп (S) — полином Чебышева порядка и;

5 Й вЂ” число уровней квантования.

Зная выходное значение кода АЦП Для

i-го интервала квантования, можно. путем последовательного перебора значений Si из

Д, 10 интервала Wi + (0 L + 1/2 0 Lo ) + — с

2 шагом д(Ю вЂ” вес i-ro интервала квантования; д — максимальная интегральная нелинейностЬ АЦП; Ь вЂ” величина младшего

15 значащего разряда АЦП; д гп — максималь1 ная дифференциальная нелинейность АЦП) и сравнения вычисленного по формуле (2)

No ,.+э

20 где Np — количество отсчетов на один период гармонического сигнала;

m — разрядность АЦП, значения f(Si) с

25 известным значением f(St) для границ l-го интервала квантования идеального АЦП определить действительные величины границ интервалов квантования, а зная их. — величину интегральной и дифференциальной неЗО линейностей i-го интервала квантования проверяемого АЦП, Спектральные составляющие ап усредненного сигнала с выхода блока 6 записываются в ОЗУ 11. При атом на адресный вход

35 ОЗУ из счетчика 28 поступают коды адресов спектральных составляющих в ОЗУ. С выхода блока 9 управления на вход счетчика 28 поступают тактовые импульсы. На управляющий вход ОЗУ 11 из блока 9 управления

40 поступает сигнал "Запись".

После записи N+ спектральных составляющих (N =2 ) вычислитель 7 погрешности сигналом с выхода блока 9 управления переводится в режим вычисления нелиней45 ности. Формирование значений Si осуществляется следующим образом.

На выходе счетчика 29 формируется последовательность кодов, соответствующая

50 числам в интервале{-К/2; К/2), где К- коэффициент деления счетчика 29. Сигнал с выхода счетчика 29 поступает на нормирующий умножитель 27; который осуществляет умножение входных чисел на ве55 личину — (д + д ш /2 ) . На выходе

»К нормирующего умиожителя 27 получают последовательность чисел д из интервала (— (д щ /2 + д1 }, (B m /2 + д ) Jc шагом

1711327

+ — Л, которая подается на второй вход

10 вычитателя с- выхода сумматора 31. Полученная величина одновременно поступает на первый и второй компараторы 17 и 16, где сравнивается с величинами сг„и -v> соотBBTcTD9HHo. IlpM этом, если ВхОднОЙ код компаратора 17 меньше величины о, на ,его выходе формируется логическая "1". Ес20

30 а на выходе вычитателя 24 — величину, равную $к-1 — S(. Далее с помощью делителя 22 на два, вычитателя 23, на второй вход которого подается код Wi, и второго делителя 26 на два формируется величина интегральной

40 нелинейности дц, она подается на индикатор 8, при этом

Si + S i + 1 „„ - (4) КПЗУ =- 2 $1+Й1, где N1 — номер спектральной составляющей со счетчика 28.

Величины спектральных составляющих ап поступают. на первый вход умножителя

12, а на второй вход — значения Т> ($1). При этом на адресный вход ОЗУ 11 пос па1ют коды адресов из счетчика 28 (Кол - 2 ), а на управляющий вход — сигнал "Чтение" из блока 9 управления. Полученное произведе- ние ал ° Тл ($1) постУпает на пеРвый вхоД 5 сумматора 13, на второй вход которого поступает из блока 14 задержки ранее вычисленная сумма при первом суммировании для каждого значения. $ь из блока 14 на

50 (28I+BIo )/К. Число К выбирается из условия (28 + д р }/К < о,, где сто - требуемая погрешность измерения нелинейности проверяемого АЦП. С выхода умножителя 27 последовательность чисел поступает ка один вход сумматора 32, на другой вход которого подается код измеряемого уровня квантования АЦП, сформированный в счетчике 30 и сложенный в сумматоре 31 с величиной (1/2) Ь(Л= ширина иктервала квантования АЦП). Величина (1/2) Л постоянно подается на второй вход сумматора 31, Коды на выходе АЦП находятся в интервале 11...12. Коэффициент деления со счетчика 30 равен числу выходных уровней проверяемого АЦП.

Таким образом, на выходе сумматора 32 формируется величина в виде

S -Щ+ й,+1/2Л. (3)

Далее в вычислителе 7 погрешности формируется для сравнения с выходным кодом АЦП значение f(Si), определяемое по формуле (1). При этом из ПЗУ 33 считываются значения Т (Si).

Д т„(; ) =„— „, т„, (s,) . и н, I о; дт. (5;)- (I.g,У)

Т (5:1- „при М, =О, где Т1ч($1) — полином Чебышева, N1 = 0,1.

Такая нормировка полиномов эквивалентна приведению выходного сигнала АЦП

4 в диапазок -1...1.

На первый адресный вход ПЗУ 33 последовательно поступают N< = 2 номеров

m+1 спектральных составляющих с разрядностью m+1 со счетчика 28, который имеет коэффициент счета 2, т.е. ка адресный вход ПЗУ 33 подается код сумматор 13 поступает ноль, для обнуления на второй вход блока 14 задержки поступает сигнал переноса при,переходе в нулевое состояние счетчика 28.

Далее в вычитателе 15 из суммы

N а Тл { Sl ) вычитается величина W f ли входной код,компаратора 16 превышает значение ï то на его выходе формируется логическая "1".

Сигнал с выходов компараторов через элемент И поступает на второй вход блока

20 задержки и на управляющий вход блока

19 ключей, на информационный вход которого поступает значение Si = Щ+,1/26+ д

Сигнал на выходе блока 19 представляет собой величину входного сигнала АЦП, которому соответствует верхняя граница измеряемого I-го интервала квантования. Выходной сигнал блока 19 поступает на блок

20 задержки, время задержки которого равно времени, необходимому для вычисления. следующего значения $ь На выходе сумматора 21 получают величину, равную $к-1 + $ь

Вычитая из выходного сигнала вычитателя 24 величину Л в вычитателе 25 и подавая разкостный сигнал на третий делитель 10 на два, получают величину относительной дифференциальной нелинейности

I-го интервала квантования АЦП в соответствии с выражением д O/1 = S1+1 — Ь вЂ” Л . (5) Значение д1.О/1 подается на индикатор 8.

1711327 фа а, 1 т

2-(в+2) f (6) 30 3 2

О 2д, (8) 1

Д .Д (1O>

Одновременно с выхода счетчика 30 (Кд л -2 ) на индикатор 8 поступает величина Wi — вес 1-го уровня квантования проверяемого АЦП, Далее цикл повторяется для всех последующих кодов счетчика ЗО, соответствующих выходным кодам проверяемого АЦП.

Работа предлагаемого устройства основана на эквивалентности представления измеряемого АЦП в виде последовательного соединения БНЭ и АЦП беэ погрешностей.

-Характеристика БНЭ при гармоническом входном сигнале с частотой где f< — частота взятия выборок иэ тестового сигнала, может быть определена по спектру сигнала на выходе АЦП (по фоомуле 1).

Для измерения нелинейности вычисляют истинные значения границ интервалов квантования из выражения где Р— значение i-й границы интервала квантования в АЦП без погрешностей;

S — действительное значение границы

l-ro интервала квантования.

Точность измерения нелинейности АЦП в устройстве-прототипе определяется выражением где а- среднеквадратическая погрешность измерения; д - интегральная нелинейность эталонного АЦП..

В предлагаемом устройстве точность измерения определяется точностью аппроксимации БНЭ в эквивалентной схеме измеряемого АЦП. Точность аппроксимации равна сумме неучитываемых гармонических составляющих. При работе устройства к таким неучитываемым составляющим относятся гармоники входного для измеряемого

АЦП синусоидального сигнала. Среднеквадратическая погрешность заявляемого устройства

Поскольку flpM 2

<1 <» а „ и-2 где Кг — коэффициент нелинейных искажений синусоидального сигнала, 10 "n — амплитуда и-й гармоники гармонического колебания, а амплитуду си нала на входе АЦП принимают эа единицу, то

15 ст К / / д, (12) Коэффициент гармоник генератора 2 может быть найден как где Кф — коэффициент за-ухания фильтра;

Pc — мощность синусоидального сигнала

25 единичной амплитуды (Pc = 1/2);

Р—. мощность шумов квантования и помех нелинейности на выходе ЦАП. где m — число двоичных разрядов LlArl; д — интегральная нелинейность ЦАП.

C учетом выражений (14), (13), (12) получают (3

Работает блок 9 управления следующим образом, После подключения измеряемого АЦП к устройству производится однократное замыкание тумблера 39, с выхода которого логическая "1" поступает на входы установки первого и второго счетчиков 35 и 36 и на выход блока. Сигнал с первого выхода счетчика 36 в качестве адреса поступает на адресный вход ПЗУ 38, в ячейке, соответствующей этому адресу, содержится коэффициент деления, необходимый для получения требуемого интервала накопления. После того как на вход счетчика

35 поступит К+ 1 (К вЂ” коэффициент деления из ПЗУ) импульс счетчик 36 увеличивает свое содержимое на единицу и на первом выходе счетчика 36 появляется логический

"О", а на втором выходе — логическая "1".

17,11327

Сигнал с второго выхода счетчика 36 поступает на адресный вход ПЗУ 38 для считывания нового коэффициента деления счетчика

35.

Блок управления вырабатывает на выходах три интервала различной длительности. После формирования третьего интервала сигнал с четвертого выхода счетчика 36 запрещает работу первого счетчика

35 и работа блока 9 управления возобновляется после переключения тумблера 39. Сигнал с выхода блока 9 используется для установки генератора 2 гармонического сигнала, сигнал с выхода одновибратора используется для сброса накопителя 5.

Формула изобретения

1..Устройство контроля аналого-цифровых преобразователей, содержащее гекератор гармонического сигнала, последовательно. соединенные накопитель и блок быстрого преобразования Фурье, блок управления, первый выход которого соединен с входом установки генератора гармонического сигнала, второй. выход — с управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, а третий выход-с первым управляющим входом накопителя, блок индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности измерения нелинейности преобразователя, в него введены генератор шума, аналоговый сумматор и вычислитель, выполненный на оперативном запоминающем устройстве, двух умкожителях, четырех сумматорах, двух блоках задержки, четырех вычитателях, двух компараторах, трех счетчиках, постоянном запоминающем устройстве, трех делителях, блоке ключей и элементе И, первый и второй входы которого соединены соответственна с выходами первого и второго компараторов, а выход— с управляющими входами блока ключей и первого блока задержки, информационные входы которого объединены с соответствующими первыми информационными входами первого сумматора и первого вычитателя и подключены к соответствующим выходам блока ключей„а выходы — к соответствующим вторым информационным входам первого сумматора и первого вычитателя, выходы которого через второй вычитатель и первый делитель соединены с соответствующими первыми информационными входами блока индикации, вторые информационные входы которого через второй делитель соединены с соответствующими выходами третьего вычитателя, первые информационные входы которого черезтретий делитель соединены с соответствующи35

40 первыми информационными входами четвертого вычитателя, вторые информацион50

5

30 ми выходами первого сумматора, а вторые информационные входы объединены с соответствующими третьими информационными входами блока индикации и соответствующими первыми информационными входами второго сумматора и подключены к соответствующим выходам первого счетчика, счетный вход которого соединен с выходом старшего разряда второго счетчика, выходы которого соединены с соответствующцми первыми информационными входами первого умножителя, а счетный вход — с выходом старшего разряда третьего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими адресными входами оперативного запоминающего устройства и постоянного запоминающего устройства, выход переноса соединен с управляющим входом второго блока задержки, а четный вход — с четвертым выходом блока управлзния, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с вторым управляющим входом накопителя и входом

"Запись-считывание" оперативного запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами блока быстрого преобразования Фурье, а выходы — с первыми информационными входами второго умножителя, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами постоянного запоминающего устройства, а выходы — с соответствующими первыми информационными входами третьего сумматора, вторые информационные входы которого соединены с соответствующими выходами второго блока задержки, а выходы — с соответствующими информационными входами второго блока задержки и ные входы которого объединены с соответствующими первыми информационными входами четвертого сумматора и подключены к соответствующим выходам второго сумматора, а выходы соединены с соответствующими первыми информационными входами первого и второго компараторов, вторые информационные входы которых, а также вторые информационные входы второго вычитателя, первого умножителя и второго сумматора являются соответствующими шинами заданных кодов, выходы первого умножителя соединены с соответствующими вторыми информационными входами четвертого сумматора, выхсды которого соединены с соответствующими информационными входами постоянного запоминающего устройства и блока ключей, выход генератора

Составитель И. Романова

Техред M.MoðãåIITàë Корректор Т. Палий

: едактор Т.Юрчикова

Заказ 348 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 гармонического сигнала соединен с первым входом аналогового суммато ра, второй вход которого соединен с генератором шума, а выход является выходной шиной устройства входной шиной II .0Topof0 являются ItIilформационные входы накопителя.

2. Устройство по п,1, отл ич а ю ще ес я тем. что блок управления выполнен на генераторе тактовых импульсов, одновибраторе, постоянном запоминающеЪ устройстве, двух счетчиках и тумблере, выход которого является первым выходом блока и соединен с входами синхронизации первого-и второго счетчиков, счетный вход перво m из которых соединен с выходом генератора тактовых импульсов и является четвертым выходом блока, входы предустановки соединены с соответствующими выходами

5 постоянного запоминающего устройства. адресные входы которого соединены с соответствующими выходами второго счетчика и. являются соответственно третьим, вторым и шестым выходами блока, пятым выходом Ко

10 торого является выход одновибратора, вход которого соединен с выходом младшего разряда второго счетчика, выход старшего разряда которого соединен с входом "Запрет счета" первого счетчика.