SU1203699A1 - Способ измерени динамических характеристик преобразовани быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1, Способ измерени  динамических характеристик преобразовани  быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, заключающийс  в суммировании двух испытательных сигналов с разной скоростью изменени , подаваемых на испытуемый аналого-цифровой преобразователь , формировании основных тактовых сигналов при переходе быстро измен ющегос  испытательного сигнала через опорный уровень, формировании кода, пропорционального сумме двух испытательных сигнапов, и сравнении данного кода с заданным кодом в моменты поступлени  основных тактовых сигналов, формировании медленно измен ющегос  сигнала по результатам сравнени , измерении кода среднего значени  медленно из- мен юР1егос  испытательного сигнала, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, при сравнении кодов в качестве заданного кода используют код соответствующего опорного уровн  после измерени  кода среднего значени  медленно измен ющегос  испытательного сигнала, величину опорного уровн  измен ют до момента равенства кода . измеренного среднего значени -медленно измен ющегос  испытательного сигнала заданному коду опорного уровн , в точке перехода через опорный уровень быстро измен ющегос  испытательного сигнала определ ют величину и знак его производной, формируют вспомогательную последовательность тактовых импульсов с синхронизацией ее с основными так- товьми сигналами, а формирование кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов на последующих тактах преобразовани , осуществл ют в моменты поступлени  вспомогательной последовательности тактовых сигналов, измеренный код среднего значени  медленно измен ющегос  испытательного сигнала, соответствующий определенной величине производной быстро измен ющегос  сигнала, используют в качестве параметра динамической характеристики испытуемого аналого-1Щфрового преобразовател . 2, Устройство дл  измерени  динамических характеристик преобразовани  быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей , содержащее блок формировани  быстро измен ющегос  испытательного сигнала, блок формировани  медленно измен ющегос  испытательного i (Л С IND о 00 а со

Description

1

сигнала, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к пефвой выходной шине, первый вход блока цифрового сравнени  кодов соединен с входной шиной, второй вход - с первым выходом блока задани  кодов, выход блока цифрового сравнени  кодов Подключен к входу блока формировани  медленно измен ющегос  испытательного сигнала, цифровой интегрирующий вольтметр, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, в него введены блок задани  пороговых уровней, блок фиксации порогового уровн ,блок компараторов , измеритель временного интервала , синхронизируемый генератор импульсов, причем выход блока формировани  быстро измен ющегос  испытательного сигнала соединен непосредственно с вторым входом аналогового сумматора и с первым вхо203699

дом блока компараторов, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами блока задани  пороговых уровней непосредственно , четвертый вход через блок фиксации порогового уровн  подключен к третьему выходу блока задани  пороговых уровней, а первый и второй выходы соединены с соответствующими входами измерител  временного интервала, а третий соединен с первым входом синхронизируемого генератора импульсов, второй, вход которого подключен к второму выходу блока задани  кодов, а первый и второй выходы соединены с второй выходной шиной и третьим входом блока цифрового сравнени  кодов соответственно, выход блока формировани  медленно измен ющегос  испытательного сигнала соединен с входом цифрового интегрирующего вольтмет - ра.

Изобретение относитс  к цифро- ой измерительной технике и может ыть использовано дл  измерени  динаических характеристик быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей в сетевых измерительных системах, их метрологической аттестации в динамическом режиме.

Цель изобретени  - повышение точности измерений динамической характеристики преобразовани  аналого- цифровых преобразователей.

На фиг.1 приведены временные диаграммы , иллюстрирующие предлагаемый способ; на фиг.2 - функциональна  схема устройства дл  реализации предлагаемого способа.

Диаграммы (фиг.1) показьшают быстро измен ющийс  испытательный сигнал 1, медленно измен ющийс  испытательный сигнал 7. сигнал 3, равный сумме сигналов 1 и 2, подаваемых на вход испытуемого аналого-цифрового преобразовател ; опорный сигнал 4, соответствующий выбранной точке характеристики преобразовани ; сфор- мированньй сигнал 5 дискриминации

перехода сигнала 1 через заданный пороговый уровень UQ , соответствующий выбранному значению сигнала 1 результирующий сигнал 6 сравнени ; сигналы 7 дискриминации, соответствующие переходам, сигнала 1 через измененный относительно Uo пороговый уровень и при определении величины и знака производной сигнала 1 в

точке А, сигналы 8 дискриминации, соответствующие переходам сигнала 1 через измен емый относительно Uo и зафиксированный пороговый уровень Ц(,ДОПО Лнительно сформированную

вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9; сигналы Ю, полученные синхронизацией сигналов 8 последовательностью сигналов 9; последовательность сигналов 11, иллй )стрирующую действительные моменты дискретизации суммы испытательных сигналов 3J точки А, Б перехода сигнала 1 через пороговый уровень UQ , в которых производна  имеет

разную величину и знак; среднее значение В сигнала 2; точку Г сигнала 3, соответствую1цую моменту действи  сигнала 5, задержанного на

3

Тацп задержку To,u,n отсчета аналого-цифрового преобразовател J временной интервал (. между сигналами 5 и 7, врем  Тпр преобразовани  испытуемого аналого-цифрового преобразовател  j период следовани  Т сигнала 1.

На схеме устройства (фиг.2) показаны блок 12 формировани  быстро измен ющегос  испытательного сигнала; блок 13 формировани  медленно изме : ющегос  испытательного сигнала; аналоговый сумматор 14, испытуемый аналого-цифровой преобразователь (А1Щ-) 15; цифровой блок 16 сравнени  кодов; блок 17 задани  кодов; цифровой интегрирую11Д1й вольтметр 18; блок 19 задани  пороговых уровней, блок 20 фиксации порогового уровн ; блок 21 компараторов; измеритель

22временного интервала, синхрони- зируемьш генератор 23 импульсов; перва  24 и втора  25 выходные шины и входна  шина 26.

В качестве блока 12 может быть использован любой генератор периодического сигнала со стабильной частотой повторени  и произвольной формы. В качестве блока 13 может быть использован , как и в известном устройстве , аналоговьш интегратор напр жений , управл емый бипол рным коммутатором напр жений, управл ющий вход которого  вл етс  входом блока 13. В качестве блока 17 используетс  блок, аналогичный блоку задани  кодов в известном устройстве, содержащий дополнительный триггер (разр д) регистра записи кодов, выход которого  вл етс  дополнительным вьпсодом блока 17. В качестве блока 21 использованы три (согласно числу уровней UQ ; 11(1 ; UfuHn ) одинаковых компаратора, суммирующие входы которых соединены вместе и  вл ютс  входом блока 21. Вычитающие входы первого и второго компараторов соединены непосредственно с первым и вторым выходами блока 19, а вычитающий вход третьего компаратора через блок 20 соединен с третьим выходом блока 19. Вычитающие входы компараторов  вл ютс  соответственно первым, вторым и третьим управл ющими входами блока 21, а выходы его  вл етс  выходами соответствующих компараторов. В качестве синхронизируемого генератора

23импульсов использован генератор с внешним запуском.

036994

Реализаци  предлагаемого способа производитс  следующим образом.

Формируют быстро измен ющийс  сигнал 1 (фиг.1), необходимыми и до , статочными услови ми дл  которого  вл ютс  периодичность и долговременна  стабильность частоты 1/т Формируют сигнал 2, посто нна  времени изменени  которого за врем  его

0 изменени  в пределах медцу двум 

р дом выбранными точками характеристики преобразовани  (кванта), задаетс  равной времени формировани  не менее, чем нескольких дес тков риодов сигнала 1.

Сумму 3 сигналов 1 и 2 подают . на вход испытуемого А1ЦТ. Одновременно с суммированием сигналов 1 и 2 формируют сигнал 5, который может

2Q Соответствовать любому выбранному значению сигнала 1 , Дл  простоты рассмотрени  на фиг.1 показан пороговый уровень DO ,. равный нулю и соответствующий нулевым значени м

25 сигнала 1 в точках А и Б, а также показан сигнал 5, точно (без задержки ) соответствующий точке А сигнала 1, где производна  имеет положитель

на, так как форма сигнала 1 отлична  от синусоидальной, хот  ее среднее значение равно нулю.

Выходной сигнал испытуемого объекта , представл ющей текущий результат аналого-цифрового преобразовани 

сигнала 3, в моменты действи  сигналов 5, сравнивают с опорньм сигналом 4, равным заданному пороговому уровню DO 0. При сравнении текущий результат аналого-цифрового пре- образовани  сигнала 3, равный мгновенному значению сигнала 3 в момент действи  сигнала 5 (фиг.1), представл етс  цифровым кодированным сигналом с соответствующим числен-

ным значением. Опорный сигнал 4, равный нулю, представл етс  также цифровым сигналом, с численным значением равным , т.е. с нулевым . кодом ВО всех разр дах.

Посредством результирующего сигнала 6 сравнени  опорного сигнала 4 и теку1чего результата преобразовани  сигнала 3, формируют сигнал 2 следующим образом. Если результат

аналого-цифрового преобразовани  сигнала 3 в момент действи  сигнала 5 равен сигналу 4, то сигнал 6 из- jмен етс  из состо ни  низкого уров5

н  в состо ние высокого, в результте чего сигнал 2 начинает нарастат Если результат преобразовани  сигнала 3 больше сигнала 4, то сигнал 6 измен етс  в состо ние низкого уровн , а сигнал 2 начинает спадать . Описанный процесс многократно повтор етс , при этом сигнал 2 колеблетс  относительно заданного опорного сигнала 4, равного в рассматриваемом случае заданному пороговому уровню .

В соответствии со способом при сравнении измер ют среднее значение сигнала 2. Поскольку сигнал 4 установлен равным , среднее значение сигнала 2 численно также должно быть равно . Отличие ег от величины тем меньше, чем точнее выполн етс  равенство между мгновенными значени ми сигналов 3 и 4, сравниваемыми в моменты действи  сигналов 5.

Поскольку реальный испытуемьй А1Щ имеет задержку отсчета величина которой заранее точно не известна, то действительное значение сигнала 3 соответствует точке котора  определ етс  моментом дейсви  сигнала 5, задержанного на Т(хи, Из-за различи  между значени ми синала 3 в точках А и Г формируетс  сигнал 2, среднее значение которог отличаетс  от нулевого на величину различи  значений сигнала 3 в точках А и Г. I

Затем согласно способу измен ют величину порогового уровн  сигнал дискриминации относительно заданного порогового уровн  до велич Uh . В результате происходит формирование сигналов 7, соответствующих переходам сигнала 1 - через пороговый уровень и . По величине временного интервала i, по величине и знаку отклонени  уровн  Ut, от UQ определ ют величину и знак произвоной в точке перехода сигнала 1 чер заданный пороговый уровень U . Пр этом дл  формализации определени  величины и знака производной принимаетс , что Lh имеет условно отрицтельный знак, если сигнал 5 задержан относительно сигнала 7, и положительный , если сигнал 7 задержан относительно сигнала 5, Величи«ы проговых уровней {J и Uo алгебраически вычитаютс  с их знаками, а

величина и знак производной определ етс , KaK 3lJ/dt i-Uh -Uo(thH дл  точки А(фиг. 1) равна dU/dtt-Un-0/- /J- Величина изменений порогового уровн  (J), относительно U, ограничиваетс  допустимой методической погрешностью линейной аппроксимации сигнала 1 в точке А. С учетом указанного формального правила определение велиQ чины и знака производной может быть произведено в любой точке сигнала 1, например Б.

При дальнейшем изменении порогового уровн  фиксируют его измененную

5 величинуUT J J, при равенстве измеренного с реднего значени  В сигнала 2 величине заданного порогового уровн  Uo Зафиксированной величине Отачл соответствуют сигналы 8, которые

0 опережают по времени сигналы 5 на величину Tu,u,n . При этом-действительные моменты сравнени  результата преобразовани  сигнала 3 с опорным сигналом 4, равным заданному уровню

5 о 0, точно соответствуют точкам А сигнала 1, значение сигнала 1 в которых равно (Jo , а величина и знак производной определены.

В соответствии со способом одноQ временно с фиксациейиг цп формируют вспомогательную последовательность цифровых сигналов 9, период повторени  которых должен быть большим кли равным Тпр и кратным перио; У сигнала 1. Синхронизируют сигналы 9 с сигналами 8. В результате синхронизации добиваютс  периодического совпадени  одного из сигналов 9 с сигналами 8 и получают сигналы 10.

„ Таким образом обеспечиваетс  точна 

U

Прив зка -по фазе сигналов 10 с сигналами 8 и сигналом 3, т.е. становитс  точно известным местоположение любого из сигналов 10 относительно сиг- нала 3. 5

После синхронизации сигналов 9 с сигналами 8 дискретизируют сигнал 3 посредством сигналов 10, используемых -дл  стробировани  испытуемого

АЦП. В результате выполнени  рассмотренных операций способа действительные моменты дискретизации сиг- лала 3 соответствуют сигналам 11, в моменты сравнени  выходного сиг5 н;1ла испытуемого объекта с опорным соответствуют сигналам 5. Поскольку сигналы 11 (фиг.О соответствуют различным значени м сигнала 3 в пре5

делах перГиода сигналов 5, а сигналы 5 всегда соответствуют одним и тем же значени м сигнала 3 в точке А, то с учетом известной величины - знака производной в точке А и периода ТПР сигналов 11 - имеет место соответствие точно известных условий испытаний измер емой динамической характеристике преобразовани . Одновременно с фактической дискретизацией сигнала 3 в моменты действи  сигнало 11 сравнивают, фактически в моменты действи  сигналов 5, выходные сигналы испытуемого АЦП с опорными сигналами 4, соответствуюрд1ми выбран- ным точкам его характеристики npeoepa зовани .Таким образом,при ее измерени обеспечиваютс  реальные услови  испытуемого объекта с учетом вли ни  как величины и знака производной, так и переходных процессов установлени  в нем при преобразовании разных значений сигнала 3.

Вли ние этих факторов при формировании сигнала 2 приводит к откло- нени м средних значений сигнала 2 от опорных сигналов 4, соответствующих выбранным точкам характеристики преобразовани . Отклонени  св заны с тем, что значени  результата преобразовани  сигнала 3 в точках А в моменты сравнени  отличают от действительных значений из-за неспособности испытуемого преобразовател  правильно реагировать во всех точках характеристики преобразовани  на заданную величину (знак) производной испытательного сигнала 3 при стробировании А1Щ с заданным ТПР.

Выбира  частоту и амплитуду сигнала 1, а также период повторени  ТПР сигналов 9, можно в широких пределах варьировать исходные услови  измерени  динамических характерис- тик преобразовани , соответствующих значени м этих параметров. При этом задава  все или только выбранные точки характеристики посредством задани  соответствую1цих опорных сиг- налов 4 по отклонени м от них средних значений, сформированных в процессе измерений сигналов 2, можно судить о всей или отдельных

участках динамической характеристи ке преобразовани , контролиру  по вление отклонений, равных или больших допустимым.

с ю и 20 25 зо 40

35

55

Устройство работает следуюпд1м образом .

Выходной сигнал блока 12 поступает на сумматор 14 вместе с сигналом 2 с выхода блока 13. Суммарный сигнал 3 с выхода сумматора 14 подаетс  на вход испытуемого . Одновременно выходной сигнал 1 блока 12 подаетс  на вход блока 21.

С выхода блока 19, который 1}ред- ставл ет источник стабильных напр жений , задаютс  пороговые уровни, соответствующие UQ , t) п и итс,о,п . Величины Up и Un задаютс  посто нными , а пороговый уровень на третьем выходе измен етс  до фиксации величины посредством блока 20, представл ющего любой фиксируемый регул тор напр жений, например градуированный потенциометр, положение которого фиксируетс  оператором при изменении уровн  напр жени . Р мпульс- ные сигналы 5 и 7 с первого и второго выходов блока 21 поступают на входы измерител  22 временного интервала, а с третьего выхода сигналы 8 поступают на вход синхронизируемого генератора 23. При логическом сигнале с низким уровнем (логический О), поступающим на вход управлени  генератора 23 с выхода блока 17, синхронизируемый генератор выключен и импульсные сигналы с третьего выхода измерител  22 проход т через генератор 23 на входы стробировани  АЦП 15 и блока 16 сравнени .

На входе испытуемого АЦП 15 действует при этом суммарньй сигнал 3 (фиг.1). В моменты стробировани  АЦП 15 мгновенное значение напр жени  сигнала 3 на его входе равно текущему значению напр жени  сигнала 2 на выходе блока 13. Пусть на вход блока 16 с выхода блока 17 задан код, численно равньй UQ . Если выходной код АЦП 15, полученный при стробировании, равен при сравнении коду с выхода блока 17, то результирующий сигнал 6 с выхода блока 16 управл ет блоком 13 таким образом, что выходное напр жение блока 13 начинает возрастать Когда оно достигает значени , при котором.выходной код испытуемого А1Ш 15 превьшает код, установленный в блоке 17, выходной сигнал 6 блока 16 управл ет

блоком 13 так, что напр жение на его выходе начинает уменьшатьс .

Измен   величину порогового уровн  на третьем входе блока 21, сдвигают по фазе импульсы на третьем выходе блока 21 относительно сигналов с вькода блока 12, При этом измер ют среднее значение напр жени  на выходе блока 13 с помощью цифрового интегрирующего -вольтметра 18. Когда измеренное среднее значение напр жени  сигнала 2 на блока 13 становитс  равно установленному с блока 19 на пер-- вом входе блока 21 уровню напр жени  УС, 5 фиксируют уровень напр жени  на третьем входе блока 21 при: прмоащ блока 20. После фртксации на третьем выходе блока 21 фо)миру- ютс  импульсы 8 (фиГоО, точно определ ющие резуль .гат преобразовани  /ЩП 15 гголожани  сигнала 3 в Точке А с учетом компенсации вли ни  задерхасч отc.iera Таицгг Вели- . чику производно } сигнала 3 в этой и ее энак ситредел ют по установленным зкаченк м напр жений IJo Un () на первом и втором выходах блока I9 и врэменному инЛтервалу in , измер емому измерителем 22 временного интгр)зала. При этом величины - Un и UQ алгебраически вьгчитаютс  с их знаками., а дл  L(, условно принимаетс  отрицательный знак, если сигнал 5 задерлсан относительно сигнала 7,, и положительньш9 если сиг нал 7 задерлак относительно сигк.зла 5, При фиксированном подключении входов измерител  22 к выходам блока 21 уг. С. легко обнаруживаетс  по результату измерени  либо непосредствекно величины L в первом случае, либо величины 5 ДР- Т,- - период сигнала 1 (фиг..1). Исход  из этого величина н знак производной в точке А (фиг„1) равна dU/(:it -Un-C /-tvi UH(Lj,.

При изменении логического сигнала на управл ющем входе синхронизируемого генератора 23 в состо ние с высоким уровнем (логическа  1) происходит его включение в автоколебательный режим. При этом генератор 23 синхронизируетс  импульсами

8, работа  с собственным периодом повторени  импульсов 9 - Tf,p , вы- бранным кратным периоду TC повторени  импульсов 8. На первом выходе 5 генератора 23, подключенном к входу стробировани  АЦП 15, действуют импульсы 10, а на втором выходе, подключенном к входу стробировани  блока 16, - импульсы 8,

10 В результате обеспечиваетс  стро- бирование испытуемох о А1Щ 15 в моменты времени (импульсы 11, фиг.1), соответствующие различным значени м напр жени  сигнала 3 на выходе сумма15 тора 14. Одновременно обеспечиваетс  управление формированием сигнала 2 на выходе блока 13 только в моменты сравнений (сигнал 5, фиг.1), когда мгновенные значени .напр жени  на

20 выходе блока 13 должны быть равны М1 повенным значени м напр жени  на входе испытуемого АЦП 15.

Среднее значение выходного напр жени  блока 13 измер етс  в тече25 ние большого числа циклов его изменени  цифровым интегрирующим вольтметром 18. Цифровой результат измерени  соответствует границе перехода от одного кванта к другому на

30 характеристике преобразовани  испытуемого ЩИ 15. Отклонение цифрового результата измерени  (среднее значение В) от кода (опорного сигнала 45 фиг.1), задаваемого с первого

35 выхода блока 17 на второй вход блока 16,, характеризует погрешность динамической характеристики преобразовани  в этой точке. Погрешность точно соответствует определенной ве40 личине и знаку производной и заданному Тпр .

После регистрации оператором результата измерений в блоке 17 задани  кодов устанавливают код, со45 ответствующий значению следующей

точки измер емой характеристики преобразовани . Измерени  повтор ютс  при неизменных значени х кода на втором выходе блока 17, пороговых

50 уровн х напр жений UQ , (In ,итьи,п на входах блока 21 и неизменной величине ТПР до получени  полной информации о всех точках характеристики преобразовани  испытуемого АЦП.

фиг. 1

Claims (2)

1. Способ измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, заключающийся в суммировании двух испытательных сигналов с разной скоростью изменения, подаваемых на испытуемый аналого-цифровой преобразователь, формировании основных тактовых сигналов при переходе быстро изменяющегося испытательного сигнала через опорный уровень, формировании кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов, и сравнении данного кода с заданным кодом в моменты поступления основных тактовых сигналов, формировании медленно изменяющегося сигнала по результатам сравнения, измерении кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при сравнении кодов в качестве заданного кода используют код соответствующего опорного уровня после измерения кода среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, величину опорного уровня изменяют до момента равенства кода . измеренного среднего значениямедленно изменяющегося испытательного сигнала заданному коду опорного уровня, в точке перехода через опорный уровень быстро изменяющегося испытательного сигнала определяют величину и знак его производной, формируют вспомогательную последовательность тактовых импульсов с 18 синхронизацией ее с основными тактовыми сигналами, а формирование кода, пропорционального сумме двух испытательных сигналов на последующих тактах преобразования, осуществляют в моменты поступления вспомогательной последовательности тактовых сигналов, измеренный код среднего значения медленно изменяющегося испытательного сигнала, соответствующий определенной величине производной быстро изменяющегося сигнала, используют в качестве параметра динамической характеристики испытуемого аналого-цифрового преобразователя.

2. Устройство для измерения динамических характеристик преобразования быстродействующих и высокоточных аналого-цифровых преобразователей, содержащее блок формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала, блок формирования медленно изменяющегося испытательного

SU „.,1203699 сигнала, выход которого соединен с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к первой выходной шине, первый вход блока цифрового сравнения кодов соединен с входной шиной, второй вход - с первым выходом блока задания кодов, выход блока цифрового сравнения кодов Подключен к входу блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала, цифровой интегрирующий вольтметр, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок задания пороговых уровней, блок фиксации порогового уровня,блок компараторов, измеритель временного интервала, синхронизируемый генератор импульсов, причем выход блока формирования быстро изменяющегося испытательного сигнала соединен непосредственно с вторым входом аналогового сумматора и с первым вхо1203699 дом блока компараторов, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами блока задания пороговых уровней непосредственно, четвертый вход через блок фиксации порогового уровня подключен к третьему выходу блока задания пороговых уровней, а первый и второй выходы соединены с соответствующими входами измерителя временного интервала, а третий соединен с первым входом синхронизируемого генератора импульсов, второй.вход которого подключен к второму выходу блока задания кодов, а первый и второй выходы соединены с второй выходной шиной и третьим входом блока цифрового сравнения кодов соответственно, выход блока формирования медленно изменяющегося испытательного сигнала. соединен с. входом цифрового интегрирующего вольтмет ра.