Способ измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей и устройство для его реализации

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских. Социалистических

Республик р 999154 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 1L0981 (21) 3337444/18-21

1И1М Кл з с присоединением заявки №Н 03 К 13/02

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет. (531УДК 681.325 (088.8) Опубликовано 23.02.83. Бюллетень ¹ 7

Дата опубликования описания 230283

J 4 V

А.Н. КОРСУНСКИЙ И Л.В. Эеранн Р Ь; (;

/ (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗИЕРЕНИЯ ДИНАИИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

1 2

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано в вычислительной технике и в цифровых системах связи для контроля аналого5 цифровЫх преобразователей (АЦП).

Известны способы измерения погрешности АЦП (1) и (2) Однако способы.не обеспечиващт достаточной точности оценки погрешности преобразования прн значениях частоты дискретизации Ф,.и частоты измерительного сигнала фб, соответствующих реальным условиям работы быстродействующих АЦП. Кроме того, указанные способы не обеспечивают воэможности автоматизации процесса измерений.

Известен способ измерения погрешности АЦП путем преобразования гармонического сигнала с заданным периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с предвари-. тельно определенным числом, который реализуется устройством,, содержащим генератор измерительного сигнала, соединенным с входом поверяемого АЦП, информационный выход и выход сигнализации,конца преобразования которого соединены с соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блока, генератор синхроимпульсов (3).

Способ основан на регистрации частот выпадения и цифровых сигналов N.

1 1 на. выходе АЦП при подаче на его вход измерительного сигнала заданной формы, т.е. с известным (гипотетическим) законом распределения 1 = 1....2, где m — разрядность контролируемого

АЦП. Оценка погрешности в динамическом режиме осуществляется путем сравнения зарегистрированных частот выпадения кодов пт .с.гипотетическими n-, 1 1 в силу того, что имеют место следующие соотношения.

2 - и ,xyl =и; !1,,"- 1

1 81 %1 где n — объем выборки, .статистически необходимый для получения результата с заданной доверительной вероятностьют (1„н h. — соответственно гипотетическое и эмпирическое зйачения шага квантования.

На основании полученных значений определяются характеристики погрешнос999154 ти АЦП, например, интегральная и дифференциальная нелинейность.

В качестве измерительного обычно используют периодический сигнал — пилообразный или гармонический вида

f (t) ФПоз1и(2МЩ + ф), где Uo — ампли- 5 туда, ф — начальная фаза. Гипотетические значения частот выпаданий кодов и,(при подаче на вход АЦП гармони ((2К) при 0 6 Ф < 2Ж

Р(Ч ) = I 0 при других Ф

2О плотность распределения вероятности значений -f(tz) описывается законом арксинуса . .Исходя из значения m и 25 и по указанному. закону находят гипотетические значения.

При проведении такого эксперимента возникает эффект периодизации так называемых биений измеритель-,ЗО ного сигнала и импульсов дискретиза- ции, для устранения которого в известном способе предусмотрена регистрация цифрового сигнала на выходе АЦП в случайные моменты времени Тс= Т„ f6,„ 5 где „ - псевдослучайная функция от целочисленного аргумента..

Рассмотрим подробнее эффект перно дизации. Пусть на вход АЦП поступа- .4 ет периодический измерительный сигнал U = f(t), период которого Т, а значения изменяются, в пределах дина,мического диапазона АЦП (-Up) Up)r

2 -1

Цифровйе эквиваленты Б.) этого сиг"; нала 0 = f (t") в моменты времени формируются иа выходе АЦП. Здесь

5О моменты времени, определяемые соотношением

Ь = „+7 = +(j-1)Т, (1) где T — постоянн :й период, именуе- 55 мый в дальнейшем периодом дискретизации; начальная фаза дискретиэации, определяемая как произ вольное значение из отрезка 6Q (О,Т); — момент дискретизации.

Определим, когда в последовательности значений f(t ) начинается периодизация, т.е. начиная с какого ческого сигнала определяются исходя из следующих соображений: цифровые 10 эквиваленты f (t>) текущего. значения ..)гармонического сигнала постоянной амп.

Йитуды Ue и постоянной частоты можно рассматривать как случайную величи.ну, если начальная фаза ф = Я(„)есть 15 случайная величина. Если fg имеет рав номерную плотность распределения веро(- ятности ./ момента времени 1 имеет место следую щее

Чтобы имела. место система (2), в силу периодичности функции необходимо выполнение соотношения !

+ j=+ „+ теч где Й= О, 1, 2

В силу соотношение (1) решение (2) сводится к решению уравнения

t, +т (- )=а„+Ета„, откуда

Т (., ($) Е.

TSV. (3)

Таким образом, если существуют такие целые и Й, которые удовлетворяют выражению (3), то мы определяем, начиная с какого момента времени начинается периодизация последовательсти значений U . Если выражение (3) не имеет решения при целых j и 1, периодизация не имеет места. Если Т и Т рациональные числа,;выражение i (3) всегда имеет решение, так как

Tp ,.--- можно представить как отношение ;Т двух целых взаи.лно простых чисел с и

r. При j-.1 г получаем 2 = с — целочисленное решение системы (3), т.е. г + 1

1 - с

Поэтому, начиная с момента времени t с 1-го периода измерительного . сигнала начинается периодизация значений U, а следовательно и цифровых эквйвалентов N на выходе АЦП.

Описанный эффект накладывает ряд особенностей на результаты, регистрируемые в процессе измерения

1. Значение U, где к 7g появляющееся после U> равно одному из значений f(t) иэ рядаг

" 1 U2i ° ° °

2. Значение U> в момент времени

t является случайной величиной, поскольку Uj зависит от

t1B 1 б()-1)79) °

При этом по условиям проведения эксперимента t — случайная величина из интервала (О, Т1,).

3. ЭФфект периодизации может наступить и при g < 2Я", тогда часть возможных кодов И„из ряда И„. — N будет отсутствовать.

4. Частота появления и значения

0„" в выборке до наступлейия периоди,зации не является постоянной, а зависит от значения t„ è соотношения Т /д

999154

%(i -1) %(аj ФЪ.11.

Таким образом, эа 1 периодов измерительного сигнала на оси времени 1 25 раэ имеется множество Ь1;; . Обозначим через R объединение 1 множеств

R; = U nt; . Очевидно, количестф1 во появлений кода N . .равно числу мо- . ментов дискретизации, попавших на 30 множество R.. Обозначим это количесте во и„. Величина n„. зависит от f (t),t и соотношения ТЭ, /Т, т.е. uV(f (t), tq Твх/T9), 2 так как tq случайная величина, распределенная с З5 плотностью P(t,,), и также случайная

° *еличина, и. р. Ь s которой определяется

Р(м„.)=

М1

В общем виде выражение для Р(п:)

Ф не получается. Определим P(n ) для частного случая

4 45

«Й» р 1 т

Пусть f (t) — периодический пилообразный сигнал с периодом T@ .

Для любого кода N иэ общего чис.ла 2 кодом имеем тв„

)Ю 1

2Р" допустим, что — <<-. -- — т 1 или 55

Tl 1

Т 2Я1 т с --й-. Тх

Число и- появлений кода N- в тече1 1 ние одного периода измерительного сиг нала можно оценить снизу величиной Я)

n,t

--- ) или, учитывая принятые допущет

Твх ния Т----."-„; ) 1 периодов до начала ь. Ty 2« д

5. Для случая 2 возможно, что при некоторых значениях часть и -=О.

Таким образом, эффект периодизации д при соотношении ТЭХ/Т> 10, т.е. в ус ловиях, близких к реальным условиям работы быстродействующих АЦП, приводит к искажению гипотетических значений и;, что делает невозможным оценку полученных в результате эксперимента эмпирических значений n„-, а следовательно и измерение динамической погрешности.

Определим значение частоты п появления U в выборке до наступленйя периодизации. Пусть за 1 периодов измерительного сигнала наступает перно-15 диэация . Каждому из возможных кОдов N соответствует определенный участок динамического диапазона измерительного сигнала, а следовательно и множество временных интервалов >t- 20 такое, что при t Е htg"

1 появления периодизации соответствеяно

Откуда р- т)й- и„., С Ъх. „

Общее число моментов дискретизации за 1 периодов и. С другой стороны т .n = т „1 или Твх п тв.

Тогда: 1) и Я 11

2) и -н 1- —-и и

1 ° 2 2 .

3) вероятность появления кода

N.P (И ) = ---)

1 2"

4) ---)1 или.-- 7 1 ° и и.

13 1

Полученные результаты для рассмотренного частичного случая позволяют сделать следующие выводы: а) проведение эксперимента при укаэанных условиях обеспечивает случайность факта появления некоторого кода

N„, причем вероятность появления любого кода постоянна и равна 1, что

2 полностью соответствует виду измерительного сигнала; б) вероятность .P(N.) не зависит от

1 значения в) поскольку п > 1 каждый из N .

1 обязательно появляется на выходе АЦП.

Таким образом, при проведении эксперимента при Твх> 1 эффект периодиT зации, наступая йосле набора требуемого объема выборки и, не искажает результатов.

При ---- — <1 например при Т

ТЭХ

Т 2

gx

1000 нсек, Т, = 100 нсек и щу 5 эф ект периодизации наступает до абора необходимого объема выборки и.

В известном способе для устранения укаэанного эффекта предлагается каждый код 0„;, полученный на выходе AIgI, включать в результирующую выборку по случайному закону — включать N с некоторой вероятностью at) либо не вклю« чать с вероятностью (1 -Ф ). (3цнако, если при некотором gntg мы не .получаем на выходе АЦП какие-либо коды N„. то исключение ряда кодов и удлинение времени получения выборки из конечного набора N" не может измеji нить конечный состав выборки. Кроме того, этот прием не позволяет устранить зависимость и; от t<, т.е. изменение гипотетического значения п. от реализации к реализации. (Цель изобретения — повышение точности измерения динамической погрешности, 999154 ствующем реальному режиму работы быстродействующих АЦП, Поэтому предлагается изменять значение Т по случайному закону, а именно в пределах каждого последующего временного интервала, равного периоду измерительного сигнала Т, формировать импульс дискретизации в случайные моменты времени, причем плотность распределения вероятности Р(1с ) момента появления импульса дискретизации 1 ). в пределах соответствующего периода Тн, описывается равномерным законом (зпюра б) к/ж КТ » 7 »(,К+ ) р = Ь»

Р У О ЬСЕ» АР9гиХ 4q, где к = 0,1,2...

Начальная фаза 4<(t) отсчета первого временного интервала (эпюра 7) может принимать произвольное значение,. не влияя на конечный результат, так как импульс дискретизации распределен по равномерному закону на нсем периоде входного сигнала..

Таким образом обеспечивается выполнение условия проведения эксперимента с гармоническим сигналом путем выборки его значений в случайные моменты времени.

Однако при проведении эксперимента следует учитывать особенности реальных АЦП, имеющих предельный период дискретизации Т" — минимальный временный интервал, необходимый для обра9

5ботки входного сигнала. Его длительность определяется структурой преобразователя и является паспортной характеристикой каждого реального АЦП, в которых предусмотрен специальный выход Сигнализация конца преобразования . Для быстродействующих АЦП, предназначенных для обработки широкополосных случайных сигналов, имеющих

I г (r граничную частоту спектра т. Т вЂ” — г 1 в» значение предельного периода дискретизации обычно определяется соотношением Т = Тз» 2. и я

При T9 = Т „ /2 и Твх Т&хс вероятностью P = 3,5 возможен вариант, когда импульс дискретизации поступает на AIIII до окончания предыдущего цикла преобразования, что приводит к искажению выходной информации. Поэтому при реализации предлагаемого способа, последовательно отсчитывая интервалы, равные Т, формировать импульс дискретизации следует лишь в том случае, Фсли до этого появляется сигнал на

Йыходе АЦП вЂ” Сигнализация конца преобразования . В противном случае интервал Тсс отсчитывается, но импульс дискретизации не формируется (эпюры

6 и К, сечение АБ).

Использование предлагаемого способа приводит в среднем к удвоению вреПоставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения динамической погрешности аналого-цифровых преобразователей путем преобразования гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, одновременно с преобразованием гармбнического сигнала осуществляют выделение последовательных временных интервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, и с произвольной начальной фазой для 15 первого интервала, а н качестве дискретных моментов времени используют случайные моменты, распределенные н укаэанных интервалах с равномерной плотностью вероятности. 2G

При этом в устройство для измерения динамической погрешности аналогоцифровых преобразователей, содержащее генератор измерительного си- нала, сое. диненный с входом проверяемого анало- 25 го-цифрового преобразователя, информационный выход .и выход сигнализации конца преобразования которого соединены с соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блоки генератор синхроимпульсов, введены. одновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и . ключ запуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен.с входом синхронизации формирователя случайного сигнала, вход запуска которого сое. динен с выходом фазового детектора, а вход разрешения — с выходом сигнализации конца преобразования пронеряе40 мого аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор соединен с входом дискретизации проВеряемого аналого-цифрового преобразователя, 45 при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазоного детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом reнератора измерительного сигнала. 50

На фиг. 1 представлена временная диаграмма., пояснякщая сущность пред"лагаемого способа; на фиг. 2 — схема устройстна, реализующего предлагаемый с. способ.

5.)

Сущность. предлагаемого способа заключается в следующем. На вход АЦП подается измерительный гармонический сигнал (эпюра 1 ). При .следовании импульсов дискретизации с постоянным 60 периодом Т эффект периодизации, возникает при любых детерминированнйх соотношениях Т и T, IIpH условии ----- с 1, т.е. н режиме, соответ-.

ТЬХ

Тс»2 65

999154 мени измерения. Однако при оценке динамической погрешности быстродействующих АЦП это время не превышает нескольких минут, поскольку преобразователи данного класса выполняют миллион и более преобразований в секунду.

Ф

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит генератор 1 измерительного сигнала, проверяемый

АЦП 2, блок 3 регнстрации, вычислительный блок 4, одновибратор 5, формирователь 6 случайного сигнала, фазовый детектор 7, генератор 8 синхроимпульсов и к 9 запуска В д гене-15 ратора 1 измерительного сигнала соединен с входом проверяемого АЦП 2 и входом фазового детектора 7. Информационный выход и выход сигнализации конца преобразования проверяемого АЦП

2 соединены с соответствующими входа ми блока 3 регистрации, выход которого соединен с входом вычислительного блока 4. Выход генератора 8 синхроимпульсов соединен с входом синхрониза. ции формирователя б.случайного сигнала, вход запуска которого соединен с выходом фазового детектора 7, а вход разрешения — с выходом сигнализации конца преобразования проверяемого

АЦП 2. Выход формирователя б соеди- 30 нен с входом одновибратора 5, выход которого соединен с входом дискретизации АЦП 2. При этом .ключ 9 запуска управляет работой фазового детектора 7. 35

Устройство работает следующим образом.

Измерительный сигнал заданной частоты и амплитуды с выхода генератора

1 непрерывно подается на вхоц контро-4р лируемого АЦП 2 и фазового детектора

7. При замыкании ключа 9 фазовый детектор 7 подает импульсы на вход запуска формирователя б случайного сигнала (фиг. 1, эпюра 7). Период. импуль45 .сов равен периоду измерительного сигнала ТЭК, а их начальная Фаза ) Н постоянна относительно некоторой произвольной фазы измерительного сигнала (фиг. 1, эпюра 7). В.соответствии с предложенньм способом значение 4t не влияет на получаемые результаты.

На вход синхронизации формирователя б с генератора 8 поступает последовательность синхроимпульсов, следующих с периодом Т „-„„ (фиг. 1, эпю- 55 ра 8) .

При готовности АЦП 2 к обработке информации, т.е. при его включении или окончании преобразования в предыдущем цикле, на выходе сигнализации 60 конца преобразования АЦП 2 появляется сигнал, поступающий на вход раэреЬ ения формирователя 6 (Фиг. 1, эпюра K). В качестве последнего может быть использована схема на базе гене 65 ратора псевдослучайной импульсной последовательности. На выходе формирователя б импульс появляется в случайный момент времени в течение периода измерительного сигнала Т „, отсчитываемого Относительно момента. поступления импульса с выхода Фазового детектора ° При этом плотность распределения вероятности момента появления импульса в пределах (О, Тя ) описывается равномерным законом (фиг. 1 эпюра 6). Для реализации способа длина Ь псевдослучайной импульсной последовательности должна быть больше объема выборки и :L p n

С выхода Формирователя б импульс поступает на одновибратор 5, который генерирует импульс дискретизации заданной длительности, необходимый для правильного функционирования АЦП 2.

Таким образом начинается цикл преобразования измерительного сигнала.

По окончании цикла на информационном выходе AIIII 2 появляется цифровой сигнал, соответствующий значению измерительного сигнала в момент поступления импульса дискретизации. При этом с выхода сигнализации конца преобразования АЦП 2 подается импульс на формирователь 6 и.на блок 3 регистрации, разрешая запись цифрового сигнала с информационного выхода АЦП 2.

Особенность работы формирователя б случайного сигнала заключается в том,. что, если на его вход запуска импульс с выхода фазового детектора

7 поступает до появления на его входе разрешения импульса сигнализации конца преобразования, выходной импульс с равномерным законом распределения момента появления не Формируется.

Выборка значений цифровых сигналов

На выходе АЦП 2 формируется вычислительным блоком 4, который регистрирует и цифровых сигналов с помощью блока 3 и определяет значения и,, по которым согласно способу вычисляются характеристики динамической погрешности АЦП 2.

Величина Тсн),„ определяется чэ следующих соображений.

Известно, что при гармоническом сигнале, подаваемом на вход АЦП, величина временного интервала, соответствующего 1 кванту, не постоянна, а ее минимальное значение J определяется из выражения 6Х

Таким образом, необходимо потребовать, чтобы хотя бы один импульс синхронизации полностью находился в указанном интервале

T c

Т

СЫНК 2ЖФИ 4) 999154

Для удобства реализации берем це.лую часть от знаменателя, т.е. тьх 2Г(2 1 Ц 1

Таким образом, предложенный способ позволяет оценить погрешность быстродействующего преобразователя в динамическом режиме при граничной частофе спектра кодируемого сигнала и час- ц тоте дискретизации, близкой к предельной частоте АЦП данного типа, т.е. в условиях, соответствующих реальным условиям работы бЫстродействия АЦП.

Использование изобретения позволя- 15 ет автоматизировать процесс измерения на базе универсальной мини-ЭВМ.

В соответствии с предложенным способом и устройством был разработан и изготовлен лабораторный макет, эксплуатация которого показала следующие преимущества: а) повысилась достоверность оценки реальной характеристики квантования АЦП s динамическом режиме за счет 25 увеличения точности измерения реально го шага квантования; б) была обеспечена возможность оценки динамической погрешности АЦП при граничной частоте спектра входного сигнала и частоте дискретизации, близкой к предельной частоте АЦП данного типа.

Так, например, быстродействующие

AUII предназначенные для кодирования вещательного ТВ-видеосигнала, имеют 356 частоту дискретизации > 12 МГц при полосе частот кодируемого видеосигнала 6 МГц. Известный способ обеспечивает достоверный контроль при использовании периодического измерительно- 40 го сигнала с частотой ЧНс 1 МГц. Пред. ложенный способ позволяет контролировать преобразователь при любых соотношениях и фн, т,е. обеспечить контроль изделия в условиях, соответ- 45 ствующих реальному режиму работы быстродействующих АЦП. В соответствии с предложенным способом разработан и изготовлен макет устройства, обеспечивающий измерение динамической пог- gg решности при частотах Q .и „ соответ ственно 20 и 20 МГц. Эксплуатация макета позволяет выявить наличие значительной погрешности контролируемых

АЦП при 1 „ 3 МГцб . 55

Формула изобретения

1. Способ измерения динамическбй погрешности аналого-цифровых преобра- I зователей путем преобразования гармонического сигнала с заданными периодом и амплитудой в дискретные моменты времени, регистрации цифрового сигнала заданное число раз, подсчета числа выпаданий каждого цифрового сигнала и сравнения этого числа с расчетным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, одновременно с преобразованием гармонического сигнала осуществляют выделение последовательных временных интервалов с периодом, равным периоду гармонического сигнала, с произвольной начальной фазой для первого интервала, а в качестве дискретных моментов времени используют случайные моменты, распределенные в указанных интервалах с равномерной плотностью вероятности.

2. Устройство для измерения динамической погрешности аналого-цифровых еобразователей, содержащее генераор измерительного сигнала, соединенный с входом проверяемого аналогоцифрового преобразователя, информационный выход и выход сигнализации конца преобраэования которого соединены с соответствующими входами блока регистрации, выход которого подключен к входу вычислительного блока, генератор синхроимпульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него введены одновибратор, формирователь случайного сигнала, фазовый детектор и ключ запуска, причем выход генератора синхроимпульсов соединен с входом синхронизации формирователя случайного сигнала, вход запуска которого соединен с выходом фазового детектора, а вход разрешения — с выходом сигнализации конца .преобразования аналого-цифрового преобразователя, выход формирователя случайного сигнала через одновибратор, соединен с входом дискретизации проверяемого аналого-цифрового преобразователя, при этом ключ запуска включен между общей шиной и управляющим входом фазового детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора измерительного сигнала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

Р 159294 кл. Н 03 К 13/02, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 310384, кл. Н 03 K 13/02., 1968..

3. Elektronlk, 1978, Ч 27,Р 4, р, 57-101 (прототип).