автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Теоретические основы нормирования и методы экспериментального определения метрологических характеристик аналого-цифровых преобразований электрических сигналов

Б ОД

НАЦЮНМЬНА АКАДЕМ1Я НАУК WPAÏHH

ФЕЬ l3t'5 шстшт еяектродшмш

На правах рукопису

BpariH Олекс{й Олекс!йович

ТЕОРЕТИЧШ ОСНОБИ НОРМУВАННЯ I МБТОДИ ЕКСПЕРИМЕЗГГАЛЬНОГО ВИЗНАЧЕННЯ МЕТРОЛОГ 1ЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГО-ЦИФРОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛIB

Спец1альн{сть: 05.11.15 - Метрология га метролог!чне

забезпеченнпЕ

Автореферат дисертацН' на здобуття каукового ступени доктора tsïhîihuï наук

Kuï в - 1994

Дисертац1ею е рукопио.

Робота виконана в ДНД1 "Система" Держстандарту УкраШи, м. JlbBfь.

0ф1ц1йн1 опонэнти . - доктор твкн1чних наук, професор КОНДАЛвВ Авдрхй 1ванович;

доктор Т9хн1чни2 наук, професор ПАВЛЕНКО Dptft Федорович;

доктор твхн1чних наук, професор П0ГР1БНИИ Володимир Олександрович.

Провiдна уотанова - Фtзико-механ1чний 1нститут HAH Укра!ни , м. Льв}в. .

спец1ал1зовано! ради Д.016.30.02 при 1нститут1 електродинам1ки HAH Укра1'ни,- за адресов: 252680, м. Khüb-67, пр. Перемоги, 56,' тел. 446-91-15.

3 дисертац!ею можна ознайомитися в б!бл1отец! 1нституту електродинам1ки HAH УкраКш.

Захист в!дбудеться

"/У" fwm 1995

Т

р. о II год. на зас1данн1

.Вчений сёкретар спец!ал1зовано* вчевдi к.т.н., с.н.с.

Ю.О.Масюренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн!сть проблеми ступень досл1дж9иня тематики дисертаи!?. Лоява аналого-цифрових перэтворювач1в (АЦП) електричних сигнал!в визяачила новий етвп у розвитку теорИ та техи1ки вим1рюввнь. На 1х основ! були створен! 1 набули широкого розповсюдаення так зван! цифров! засоби вим!рювань, як1 подають результат вим!рюваяня у вигляд! числа ! вив!льнягать лвдину в!д необх!дност! проведения операцП вибору (визначення) числа при зчитуванн! показань. Однак не в цьому виявляеться справжне значения АЦП 1 нав!ть не в п!даищен1й, завдяки 1х застосуванню, точност! ! швидкодИ виконання вим!рювань, а в тону. Що процеси збору 1 обробки вим!рювалъно* !нформац!1 можна дов!рити ЕОМ. АЦП дозволяють автоматизувати. процеси вим!ривань 1 в, таким чином, принципово яеобх!дним влементом вим!рювальних !нформац!йних систем (ВЮ).

Нов! можливост! АЦП !' цифрових засоб1в вим!рювання на Чх основ! (в подальшому - просто АЦП) створили потребу у перегляд! традиц!йного Шдходу до метролог!чного забэзначения, прийнятого для засоб!в вим!рвваш> аналогового типу. Це, перш за все, стосуетьсл опису мэтролоПчних властивостэй АЦП та Кх нормування.

При экспериментальному досл1дасенн! АЦП традиц!йн1 метода контролю, градуювання та пов!рки засо01в вим1рювання такой не можуть бути використан! безпосерэдньо. Особливост! АЦП як об'екта досл!джень пов'язан! 1з квантованою формою вих!дного сигналу, а також з наявн!стю входу для сигнал!в стофон1зацП, що задають режим дискретизац!I вх!даого сигналу 1 забезпечують прив'язку в!дл!к!в до шкали часу. Цэ, звичайно, вимагае алгоритм!чно складн!ших методик досл!дкення АЦП 1 створення спец!ально! апаратури.

На характер динам!чних похибок АЦП в значн!й Mipl вшшвае н8л1н1йн1сть процесу АЦ-перетворения. Тому в1дом! роботи го метролог!чному забезгоченню динам1чних вим!рювань, що проводяться з допомогою л!н1йних аналогових засоб!в, не мбжуть бути' безпосередньо вик'орисган!.

Таким чином, з появою 1 широким застосування АЦП виникае комплекс взаемоповэязаних теоветичних. мэтодичних i схемотехн1чних задач J[x метролог!чного забезпечення. щэ являе собою- досить складпу проблему. ВиШтення Д е актуальним 1 мае велика гоактичне значения для забезпечення едност{ виШрювань.

. В бувшому СРСР вшшкло дек!лька наукових шк1л, що внесли великий вклад в створення сучасних АЦП, в розроблення мэтодгв 1 засоб1в досл!даення ix- властивостей (Смолов В.Б., Кондалев Ä.I., Шлянд1н В.Ы., Шликов Г.П., Стахов о.П., Касперович О.М., Островерхов В.В., Александра' B.I., Загурський В,Я. та 1нш1). Заруб1жн1 досягнення в цШ галуз! звичайно зв'язують з назвали ф!рм, що виробляють АЦП (переважно це ф!рми США: Hewlett-Packard,. Analog Devices та 1нш1). Для допомоги промисловост! при НБС США була створена специальна служба кал!бровки АЦП 1 ЦАП (М.Sorters).

Запропонован! р1зн! варианта нормування метролог1чних Характеристик (MX) АЦП. Виб1р MX 1 метод1в Ix визначення часто диктуетьс'я Пересами виробнвдтва (контроль якост! АЦП). При цьому не заввди враховуються 1нтереси користувача (метролога) -оц!нювання в -допомогою MX похибок результат!в вим1рювання.

Залропоноваяа значна .к!льк1сть р!зноман1тних метод!в досл!дкення АЦП, одаак в!дсутня ix систематизац1я.

Для мзтролоПчних'досл!даень АВД, Ix градуювання i пов1рки необх1дним е створення спец1альних вз!рцевих засоб1в вим!рювань: автоматизованих установок для визначення статичних 1 динам!чних

характеристик. Одаак на дей час в!дсутня впорядкована (у вигляд! пов!рочних схем) система таких засоб!в, недостатньо опрацьован! принципа Кх побудови 1 метода мзтролог!чно* атестацИ.

ПодалышЯ прогрес чимало залэжить в1д узагальнегая 1 систематизацП на едан!й. методолог1чн1й основ! накопиченого досв{ду, удосконалення системи понять, що мусять бути узгоджен! з терм!нолог1ею 1 поняттями метролог!Зокрема, для цього необх!даа ун!варсальна метролог1чна модель АЦП. Анал1з показуе, що такоК модел! фактично намае; цэ св!дчить про недостатн!й розвиток теорИ АЦ-первтвореняя.

Мета X основн! завдання. Метою роботи е удосконалення теорвтичних 1 мэтодичних основ опису ! досл!даення метролог!чних властивостей АЦП елоктричних сигнал!в, розвиток системи в1дпов1дних вих!дних 1 вз!рцевих засо01в вим!рюваю>, створення первдумов для ставдартизац!I штод!в 1 засоб1в визначення динам1чних характеристик АЦП.

Основн! завдання роботи, як! вшшшають з накреслено! мети та анал!зу загального стану метролог1чного забезпвчення АЦП, були сформульован! наступним чином:

1. Удосконалення теорП АЦ-перетворэкня.

2. Розробка ун!версально!£ мэгролог1чно* модел! АЦП, що в1дпов!дае вимогам необх!дност! та достатност!.

3. Розробка метод!в нормування метролог!чних характрюистик, як! в1дпов1дають вимогам контролю А1Щ ! оц!нювання похибок результат1в вмм1рювань, що виконуються з допомогою АЩ1.

4. Анал!з, систематизац!я 1 удосконалення метод!в визначеыя статичних та динам!чних характеристик АЦП.

5. Оптим!зац!я процесу визначення похибок АШ при використанн! автоматизованих систем контролю.

6. ООгрунтуванн;: та розробка комплексу вих1дних вз!рцевих засобт для метролог!чних досл1даень (атестац!¥, пов!рки, контролю) АЦП.

7. Пошук схемотехшчних ршень для побудови швидкод1ючих вз!рцевих АЦП I ЦАП високо! розрядаоьх!, як основних елемент1в системи метрологхчних виг.робувань вишрювальшх гаретворювачгв.

Об ект X мэтоди дослтджень. Метода нормування 1 визначення МХ широкого класу АЦП, що призначен! для вим!рювання миттевих значень електричного сигналу. Р1шення поставлених завдань цроводилися з вищристанням елемент1в загальнонауково* методолог!!: метод ¡в еишизу те синтезу, метода дедукцП', правил класифгкац! 1'. Використовувалися поло1..эння теорИ' вим1рювань 1 метролог!'! з застосуванням апарату теорИ ймов1рностей, теорП % випадковюс процес!в, матричшн алгебри. Тборэтичш розрахунки 1 висновки перев1рялися шляхом постановки експерименту.

Наукова новизна.

1. Вперше, виходячи з формалхзовано* операци компарування однор1дних величин, посл1довно розвинено теор!ю АЦ-перетворення. При побудов1 теор15£ вмкористовувався метод дедуктивного виводу.

2. Виходячи з основних метод!в вим1рювання, уточнено класиф1кац!ю структурних схем АЦП. Вперше вказано на присутШсгь дуально! в1дпов1даост1 структурвж схем, що вмЛцують струмов! та потвнц1йн1 елементи.

3. Вперше запропоновано та обгруновано ун1версальну метролоПчну модель АЦП, яка адекватно в1до<5ракае статичн! та динам!чн1 влаотивоот1 АЦП.

4. Сформульовано принцип екв1валентност! ( в асимптотичному значенн!) амшйтудних та часових похибок при дискретизац!I безперервного'сигналу, який полегшуе вир!шення питань нормування

та визначення динам1чних характерной® АЦП. На основ! цього принципу встановлено просто сп!вв!дношення м!к характеристиками вз!рцевого та перев!ряемого засоб1в динам!чних вим!рювань.

б. Обгрунтовано п!дх!д до нормування динам!чних характеристик АЩ. Показано переваги нормування характеристик динам!чних властивостей власнэ АЦП, (як1, як правило, не залежать в!д виду випробувальпого сигналу) над нормуванням динам!чних похибок перетворення. Встановлено взаемообумовлен!сть 1 взаемозв'язок характеристик, що описують л!н!йну та нелШйну частини АЦП.

6. Запропоновано алгоритм вибору точок перев!рки при досл!даенн! АЦП на п!дстав! анал!зу. джервл похибок багатостушневого (паралэлыю-посл! довного) АЦП. Розширено поняття "точна первв!рки" для динам!чних випробувань АЦП, що галегшуе виб!р t оптим!зац!п випробувальних сигнал1в.

7. Запропоновано нов1 принципи класиф!кац!1 ! розроблено нласиф!кац!йну схему метод!в досл1дкення метролог!чних властивостей АЦП в статичному 1 динам!чному режимах. Bel метода год!лен! на два основпих класи: метода прямого ! метода зворотнвого вз1рцевих перетворень (за способом формування сигналу похибки)..

8. Вперше запропоновано викорисювувати для досл!даення похибки датування в!дл!к1в дифаренц!алышй метод на основ! складеного сигналу. Показано, що вз!рцева установка, яка р„ал!зуе цей метод, може бути атестована як вих!дна.

9. На основ! струмових структур ! струмових елем9нт1в, частина яких запропонова вперше, сформовано новий напрямок в схемотехн1ц! АЦП i ЦАП. Розроблено метода побудови швидкод!ючих прециз!йних ЦАП-кал!братор!в . Сгворэно 22-роэрядний б!полярний

—t

ЦАП, який мае похибку л!н1йност1 менте 5-10 .

10. Розроблено 1 атестовано новий вюйдний 3aci6 - установку для вим1рювання вхдношення напруг, яка в!даов1дае сучасним завданням розвитку метролог1чного забезпечення АЦП, вдфрових вольтметров, ЦАП, кал1братор*в. Розроблено i атестовано вз!рцев1 засоби для виШрюваннл миттевих значень зм1нно! напруги (УИМЗ 1 БК-03).

Теоретична та практична Шнн1сть. Teopta АЦ-щретворення може сприяти пол!пшенню учбового процесу, вона може також бути поширена на 1нш1 види АЦП.

Ун1версальна метролоПчна модель АШ дозволяв впорядкувати опис метод!в Ix досл1джекня 1 може бути корисною при розробленн! конкретних методик, при вдосконаленн! розрахункових метод!в визначення MX каналib BIO. Принцип екв!валентност1 атлПудюа 1 часових похибок - при вир!шенн1 завдань метрологi4Horo забезпечення динам!чних вим!рювань.

Класиф1кац11 АЦП i мегод1в Ix досл!даень полегшують вивчення в1дпов1дних питань, правила дуального перетворення - пошук нових структурних схем АЦП. Струмов! сгруктури I струмов! елементи дозволяють перейти до створення 23-24-розрядних ЦАП.

Отрултурн! схеми вих!даих засоб!в вим1рювання для досл!дження АЦП в динам!чному peaami, модел1 похибок I метода атествцИ вю^дних засоб!в становлять основу розвитку техн1чно! бази метролог!чного забезпечення динам!чшх вим!рювань, що проводяться з допомогою АЦД 1 ВГС.

Уточнения окремих понять, як! стосуються вим1рювального АЦ-шрвтворения i möтролог 1чного забезпечення АЦП, мокуть бути корисн! при розробц! термгаолог1чних нормативно-техн1чних докунент!в.

Реал!зашя результатов роботи. ШДХ1Д до нормування динам!чних метролог!чних характеристик АЦП Сув реал!зований при сгворэнн! М9ТОДИЧШХ вказ!вок РД 50-148-79 "Нормирование и определение динамических характеристик аналого-цифровых преобразователей мгновенного электрического напряжения и тока", як! д!яли протягом 80-х рок!в як загальносоюзний нормативний документ 1 фактично д!ють шш! в Укра!н1 разом з ГОСТ 8.009.-84, дэ е посилання на РД 50-148-79.

Метода побудови АЦП 1 ЦАП на основ! струмових структур 1 с^эумових елемент!в дали моклив!сть реал!зувати ун!кальний за сукуш!стю параметр1в вз!рцевий ЦАП-кал1братор (22 розряди +

_7

знак) з похибкою л!н!йност! менше б-10 .

Окрем! техн!чн! 1 методичн! р!шення були використан! п!д час розробки систем контролю !нтегральних АВД ! ЦАП (ПАУ-4, АУК-1, ЦАП-18 та 1нш1).

Метода побудови 1 структурн! схеми вих!дних засоб!в вим!рювання, метода атестаци були реал1зован! при розробленн! установки для вим!рювання миттевих значень УИМЗ, цифрового диференц1ального соробуючого вольтметра БК-03, вих!дно* вз!рцевоГ .установки для вим!рювання в!дношення напруг 1 локально! пов!рочно* схеми. УИМЗ була використана для досл!дкень динам!чних властивостей ЦАП 1 генератор!в, БК-03 - для атестацИ 1 лерев!рки вз!рцевого генератора ГСНЧ-02, вих1даа установка - для досшджень АЦП 1 ЦАП р!зного призначення.

Конктетний особистий шесок дасертанта в розробку наукових результат!в. шо виносяться на захист.

1.Дедуктивна теор!я АЦ-перетворення на основ! операц 1 компарування величин.

2. Правила дуального перетворення схем АЦП.

3. Ун1версальна метролог1чна модель АЦП.,

4. Принцип еквгвалэнтност! ашШтудних 1 часових похибок.

5. Шдх1д до нормування динам 1чних характеристик АЦП.

6. Принципи класиф1ца1Ш 1 класиф*кац1йна схема для метод!в досл!даення АЦП.

7. Загальний алгоритм вибору точок перев!рки при досл1даэнн! АЦП. .

8. Метод 1 алгоритм визначення характеристик похибки датування в!дл!к1в 1з застосуванням випробувального сигналу у вигляд! суперпозиц!! пост!йноК 1 зм1нноК напруг.

9. Загальна структура пов!рочвих схем 1 склад комплексу ВИХ1ДНИХ вз!рцевих засоб!в, веоОх!даих для розвитку техн1чноК бази мэтролоПчного забезпечення АЦП.

10. Структура i алгоритм д!1 установки для визначення похибки датування в!дл!к1в 1 установки для вим!рювання в!дношення напруг.

11. Модел1 похибок вих1дних засоб1в, як основа застосування розрахунково-експериментальних мэтод!в 1х метролог1чноК атестацИ.

12. Структурн! схеми ЦАП на основ! струмових еламент!в.'

Ашюбан1я робота. Основн! результата робота були обговорен!

на Всесоюзних симпоз!ушх "Динамические измерения", Лен!нград, 1978, 1981, 1984, 1985, 1988 p.p.; на науково-твхн!чн1й конферв шШ "Метода и аппаратура экспериментального исследования и контроля аналого-цифровых преобразователей", Пенза, 1982 р.; на Всесоюзних нарадах по теоретичн!й метролог!К, Лен!нград, 1983, 1986, 1989 p.p.; на Всесоюзних науково-техн!чних конференщях "ШС-75", "ИИС-81", "ШС-85" та "ШС-91"; на Всесоюзних науково-техн!чних конференщях " Метрологическое обеспечение ШС

tt

и АСУТП", Льв1в, 1986, 1988, 1990 p.p.; на Всесоюзному симпоз!ум! "Проблемы создания преобразователей формы информации", Ки1'в, 1988 р.; на М1жнарода!й конференц!i з виставкою "Мэра-90", Москва, 1990 р.; на ПИ Всесв!тньому когрес! IMEKO, TypiH, 1994 p.

Цубл1капП. Результата. досл!джень t розробок опубл1кован! у вигляд! статей, допов!дей та тез допов!дей (50 праць); вони узагальнан! автором у двох монограф!ях. Техн!чн! р!шення захицен! II авторськими св!доцтвами.

Структура та обсяг дисевтацИ. ДисертаЩя складаеться 1з вступу, 3 частин (в!дпов!дно до к1лькост! основних напрямк!в досл!джень), як1 утворшть 12 глав, заключения 1 6 додатк!в.

Дисертац1я м!стать 301 стор!нку машинописного тексту,92 стор!нки малюнк1в 1 таблиць. Список л1тератури включав 180 найменувань.

ОСНОВНМ 3MICT РОВОТИ Вступ.- Аргумэнтуеться актуальн!сть роботи. Коротко ошсуеться стан проблеми. Форму лмються мета t завдання досл!дження, подаються отриман! нов! результата 1 основн! положения, що виносяться на захист.

Частина Теор!я АЦ-певетвотловання t опио статичних та динам!чних характеристик АЦП

Глава I. Побудова геор» АТГ-пететвовювання на основ! onepanli компарування величин

Теор!я АЦ-перетворення може бути побудоваиа на основ! трьох фундаментальних понять: "р1вень компарування" - х^,, "р!вень квантування" - XqIN] 1 "стан системи" - И.

Для отримання достатньо точно! оЩнки вх!дного сигналу х необх!дно пор!вняти його з в1дпов!дним числом р!вн!в компарування, в загальному вшадку з И р!внями: xt, х2, ...,

Цього можна досягнути шляхом використання ,М компаратор!в або шляхом переключения р!вня компаратора (як м!н!мум - одного). Нехай х4 < ха< ... < хы. У залекност! в!д р1вня вх!дного сигналу АЦП приймае один з M + -1 мояошвих стан!в. Останн! моша позначити О, I, 2, ..., М. Якщо АЦП приймае стан N « <0, I, 2.....М), то

вх1дний сигнал задов!льняе умову

5 х < «>

ЗалехШсть номера стану N вхд х - це фунц!я перетворення

АЦП:

N = <р(х). (2)

В Teopîï сигнал!в "р!вень квантування" - це число, яким зам!нювться числа з 1нтервалу числовой' oct. Очевидно, що дане поняття суттево в!др!зняеться в!д поняття "р!вень компврування" 1 пов'язане з математичною операц1ею заокруглення числа.

Таким чином, в!дпов!дно до принципу квантування величин необх!дно 1нтервал (I) можливих значень вх1дного сигналу АЦП зам!нити одним значениям - р!внем квантування Хч£Ш, який одночасно е ощнкою вх1дного сигналу г. Правило, зг!дно з яким для кожного стану N виставляеться оц!нка вх1дно! величини, сл!д вважати градуювальною характеристикою АЦП. Очевидно, що вона е дискретною фушаЦею;

XqlNl = ф1Ш. (3)

Процес вим!рювання немовби складаеться з двох посл!довних перетворювань: прямого, що подаеться функШею перетворення (2), 1 зворотнього, що подаеться градуювальною характеристикою (3). Жодаа з них зокрема не дозволяв знайти похибку вим!рювання. Однак при розгляданн! ïx сукупност! це вдаеться (рис. I). В1дпов1дно до загального визначення похибки вим!рювання введена функц!я

бч(х) = ХчШ]-х при x^xix^.N^.M , (4)

яка умовно названа "е-функц1ею". Вона описуе загальну похибку

N

13

ЭЦШИМ * 1

т— N И»Ч>(х)

■ ¿л

А-—1-1— 1 1 .1 \ X |

Рис. I

АЦП разом з похибков квантования.

_ Похибки АЦП звичайно розглядаються в терм!нах заокруглення числа. Таким чином, ввакаеться, що число е первинним, а квантування - вториншм. 3 погляду методологи такой Шдл1д е некоректним: число' при вим1рюванн1 в результатом 1нтерпретац1К ф!зичних операцШ. що зд!йсншться над вх1дним сигналом. Знайдено вирази для функцИ первтворення:

N = Е Э [ 0(х"-х)<1х"

в=о Л

1 итератора квантування:

X СШ = £ X Г 3(х*-х)(3х*, 4 я=о 4 А

(5)

(б)

0станн1й у в1дпов1дносг1 з (4) дозволяв визначити еч-функц1ю

еяМ

[Б)Г - х.

(Т)

Для ял1н1йного АЦП"(ХчС8] = Бд, де я - крок квантування) вирази (6) I (7) мають вигляд

га

м г**1 * ЭД - ч £ Б 0(х*-1)йх*;

в»о 1

е (х) = чЕЕ эГ 0(х*-х)йх*] - х.

4 з = о А

*

Форма запису функц!й перетворения (5) при переход! до "л!н!йного АЦП" не зм!шоеться, хоча II характер 1 заложить, в!д розпод!лу р1вн!в компарування.

бч-функц!я (7) 1 оператор квантування (б) задан! сукупн!стю р!вн!в компарування 1 р!вн!в квантування 1 тому е взаемопов'язаними математичними понаттями. • На ц!й п1дстав! оператор квантування мокна виразити через еч-функц!ю (1 навпаки):

0ч(х) = х + еч(х) (8)

КЯ = х + еч(х) (9)

Розклад е^-функиП ца складов! (статичн! похибки АЦП). е -функц!я дозволяв наочно уявити походження ! 1стинний сенс

я

основних похибок АЦП«. На рис.2 зображен!: еч-<$ункц1я реального

8

Рис. 2

АШ 1 е°-функц1я !деального л!н!йного АЩ. У останнього р!вн! ^ /

компарування розм!щен! таким чином, щоб забезпечити м!н!мум абсолютно! похибки (О.бя). Обидв! функцП мають локальн! екстремуми при х = 1 х = в1ДОов!дно. Вочевидь, що вони ! визначають метролог1чн! властивост1 АЩ. Якщо, зг!дно з принципом оц!нювання похибок "зверху", значения еч(хм) вважати повною

1нструментальною похибкою, а е°(х£) - П складовою (похибкою квантування), то *х р!зницю природньо назвати похибкою

компарування - систематичною складовою 1нструментально* похибки: л=[?,1=в<1(хм)-б°(^)=в<)(хы)-0.5Ч. (10)

У фунюШ еч(х) мокэ бути вид!лена л!н!йна частина А0+бкх:

еч(х)=ло+Окх+еч(х). (11)

Шдставлення (11) в (10) при х=хм дае

АвШ)=До+Скх>Д(хм)-0.5Ч. Перш! два члени - адитивна 1 мультипл1кативна похибки, а останн! - похибка лШйност! Интегральна)!

Дн(Ю=е<1(хм)-0.бч. (12)

Тод! .

Ав[Н)=А0+5)(^ДнШ1. Прир1ст (12) за крок квантування

Л,',Ш]=А1|[Н+1)-АпШ] 0 (13)

в диференц1альна похибка л!н1йност1. Похибки АСШ], АИСЫ], неформально, а по суг! е дискретними функц!ями номера стану АЦП. Розклад еч(х) залегать в!д критер!ю мШмуму похибки л!н1йност1.

Комутативн1сть оператора квантування за р!внем 1 оператора дисктетизац» за часом. 1деальний даскретизатор сигналу £ = еш звичайно описуеться оператором

• . : V» -

ЕС^МЦ «^(ДОК-уМ; саМхШ, Хч(г>), (14)

■ 1 Ч- ■ , ■

Оператор квантування (8) е оператором миттеврК д1К. Том« можна записати

Тод1

«^[хтмуХ,«)!-*,^). (15)

При зм1н! посл1довност! операц!й

о^ [хи) ] )=ач{х(г1) )=хч и4>.

Об)

Пор1вняння (15) 1 (16) дозволяв зробити висновок про те, що

Глава 2а. Класи(Ыкаи1я АШ I дуальнЮть електричних схем Важливим елементом '.еорИ е класиф!кац1я об'ект!в, як! вона описув. АЦП досить складаий об'ект класиф!кац!1: р!зноман1тн1сть його структур, схвмних 1 функц!ональних особливостей ускладшгаоть ,

Пропонуеться класиф!кац!я, що враховуе позитивы! риси юнуючих класиф!кац!й, але в!др!зняеться в!д них складом ! рангуванням структурних ознак. Зберкаеться- розпод!л на АВД з пром!жним перетворениям електричних величин у ф!зичну величину 1ншого роду 1 на АЦП з безпосередн1м перетворенням. В наступн1й градац!! проводиться розпод!л зг!дно з методом вим!рювання, що реал!зуеться. Ознаками нижчого рангу вважаються:

- основний алгоритм перетворення;

- наявн!сть строб!рування чи тактування;

- тип структури (замкнена, роз1мкнена);

- число компаратор!в в ступен! або м!р;

- схемн! особливост!.

Звичайно АЦП под!ляються на "паралельн!", "паралельно-посл!довн1" 1 "посл!довн1". Показано, що вони фактично в!дносяться до р!зних 1ерарх1чних р!вн!в класиф!кац!йного "дерева", що породауеться вказаною системою ознак.

Дуальность схем АШ. Теор!я АЦ-перетворения вивчае такой загальн1 властивост! електричних ланцюПв, що складають аналогову частину АЦП. Для побудови АЦП використовуються потенЩйн! елементи (дкерела е.р.е., п!доилювач1, повторювач!, под!льники напруги, ключ! ! компаратори напруг) ! струмов! елементи (джерела

СхШ]}«^ «ух(1:))).

(17)

завдання.

струму, струмов! ключ! 1 компаратори).

У робот! уточнен! характеристики I властивост! основних. елемент!в АЦП, що створюють дуальн! пари. Доведено, що до них не можна причислити ключ!, хоча часто використовуються терм!ни "ключ напрупГ, "струмовий ключ". Проведен! досл!дження щодо формально! побудови дуальних вар!ант1в схем АЦП. Сформульован! в!дпов!дн! правила.

Встановлення властивост! дуальност! • структурних схем АЦП електричних сигнал1в мае не т1льки теоретичне значения. Знания правил дуального перетворекня схем може бути корисним у таких випадках:

- визначення напрямку удосконалення элементно* бази АЦП (ЦАП);

- отримання нових структурних схем;

- п!двищення точност! 1 швидкодИ АЦП ! ЦАП шляхом оптимального з'еднання струмових ! потенц!йних елемент!в.

Глава За. Розроблення ун!версальноГ метролог!чно¥ моде л г АШ

1снуюч! модел! або використовують опэратори Епг[• ] 1 РгМ, що призводить до гром1здких вираз!в I утруднюе опис 1 досл!дження динам!чних властивостей АЦП, або враховують похибку квантування у вигляд! адитивного незалежного шуму, що недопустимо у випадку досл!дкень статичних похибок АЦП.

Необх1дною е математична модель, що виражае залезкн!сть сигнал!в на виход! АЦП в!д сигнал!в на його обидвох входах (на вход! управл1ння також). Бона повинна в!дпов!дати вимогам ун!версальност! 1 повноти, тобто повинна бути достатньо адекватно» для будь-якого типу АЦП з погляду вир!шення таких основних питань Кх метролог1чного забезпэчення, як розроблення методик визначення метролог!чних характеристик в статичному 1

динам!чному режимах, побудова моделей вим1рювальних канал!в BIO, нормування метролог1чних характеристик та гаие.

Структура молел!. Показано, що умову ун!версальност1 1 повноти задовольняе структура модел! АЦП у вигляд! посл!довного з'еднання вх1дного аналогового прчстрою, дискретизатора 1 квантувача. В реальних АЦП операц!я квантування може передувати операцП дискретизацП в час1. Однак, оск!льки вказан! операцП комутують, то немае необх!дност1 розглядати дв! структури.

Модель вх!дного аналогового пристрою, Нехай Их) - його д!йсна статична функц1я перетворення, а g(t-t) - д!йсна 1мпульсна характеристика. Функщю перетворення можна описати за допомогою адитивно!, мультшШкативно! похибок -"а похибки л!н1йност1 Ан(х): i(x) = Д0+ (I+Ök)x + Ан(х). (18)

Дал1, деяк1 црипущення в1даосно характеру нэл1н!йност1 вх!даого пристрою дозволяють подати модель аналогового пристрою у наступному вигляд!: t

x*(t) = До + Ajjtxit)] + (I+OjJ g(t-x)x(T)üT.' (19)

-00

Модель дискретизатора. Показано, що вплив складних прояв!в

1нерц1йност1 нелШйних елемент!в реальних дискретизатора i

квантувача (Ix ключ!в,. компаратор!в та 1нше) мае екв!валент у

вигляд1 зм!щення моменту в!дл1ку t. на величину xDi (похибка

датування в1дл1к!в), тобто вказаний вшшв може бути про!м1тований

за допомогою елемента випадково! затримки сигналу запуску АШ.

Тод! похибку датування в!дл1к1в легко врахувати, якщо зробити

зам1ну tt на 't+i^ в (14). В результат! отримано досить просту

математичну модель реального дискретизатора: t.»At

S^i+^i^JiitiöIt-d^+^JJüt; £(t) e{x(t),X4(t)} (20)-t, -At

Модель квантувача. Показано, що моделI вх!дного пристрою 1 дискретизатора у сукупносг! в!дображають досить адекватно динам1чи! властивост! АЦП. Це дозволяе прийняти за математичну модель квантувача оператор без!нерц1йного квантування (9) у вигляд!: Н(г>ч = х(1;) + ) ]. (21)

Синтез мэттолоПчноГ моде л! 'АЦП. Шляхом об'еднання моде л! вхШого пристрою(19), дискретизатора (20) 1 квантувача (21) з врахуванням явищ "гистерезису" 1 внутр!шн1х шум!в, отримано оператор АЦ-перетворения ^ац1*^'3 у вигляд! системи р!внянь:

К*44

(22)

X* (г)=А0+х^(г)+ц+ок)| 8(г-е)х(? ле,

яка зв'язув вх!дний сигнал х(Ю, момент запуску ^ 1 оц!нку видного сигналу х(^) = Щ^-иг^). Перех1д до метролог!чноК нодел! здШснюеться в1дпов1дао до структура похибки:

А^дцСх^)^.] - х(^); 1=1,к. (23)

Граф1чнэ зображення (23) подано на рис.3. Експериментальне

Рис.„ а

визначення масиву 1=ГГК дозволяв визначити вс1 неоСх!дн! дан! про параметри АЩ ! його статичн! I динамгчн! характеристики. На завершения розглянуто найважлив!пп окрен! випадки.

Глава 4. Метролог1чн1 характеристики АЦП 1. Ьс нормування

Хоча при застосувашп АЦП залилаються чинними загальн: правила нормування к:зтролог!чних характеристик засоб1в вим1рюБаннь, однан особливост! АЦП впливають на склад 1 форми ix подання. Розглянуто стан ! сформульован! завдання нормування статичних ! динамхчних характеристик. При IX розв'язанн! використовуеться принцип екв!вал8нтн0ст! амшатудного (Ах) 1 часового Ш) опису динам!чних похибок. Однак в!дображення Ах <=> М не е гомеоморфизмом в наел^док того, що в!дображення х -> X у загальному випадку с багатозначним.

Показано, що принцип екв1валентност! (точн!сть вим!рювання широкосмугового сигналу можна охарактеризувати в р!вн!Я м!р1 або ампл!тудними, або часовими похибками) е справе дливим в асимптотичному розум!нн! 1 з врахуванням цього мозке використовуватися при опису, визначенн! ! взаемному перетворюванн! динам!чних характеристик АЦП.

Перех!д в!д параметров модел1 АШ до нормованих метролог!чних характеристик. Б1льш!сть елемент!в модел! АЦП не в!дноситься до параметр!в, як! мокна подати одним числом (наприклад, еч(х) або з^и)). Перех1д до характеристик зд!йсниеться шляхом розкладу функц!й на складов!, обчислювання функщонал!в та !нше.

Подана загальна схема переходу в!д елемент!в модалI до нормованих метролог!чних характеристик.

' Подано також класиф1кац!ю данам1чних характеристик, що нормуються, з врахуванням 1х призначення.

Проведено пор!вняння !снуючих шдход!в до вибору метролоПчних характеристик. Рекомендовано для АЦП як засоб!в вим!рювання системного призначення нормувати характеристики 1нерц1йних властивостей, оск1льки вони зручн! при виконанн!: '- корегування динам1чних похибок;

- розрахунк1в MX канал1в BIC; •

- апостер1орного оц!нювання похибок результата вим!рювань. Встановленг сп!вв!дношення м!х р1зними MX. Показано, що

данам!чн1 властивост! АЦП досить повно описуються сукупн1стю

номШальной 1мпулъсноК характеристики I характеристиками похибки

датування в!дл!к!в.

Результата досл!дкень були використан1 при розробленн!

кер!вних номативних документ!в (Методические указания РД

БО-148-79 "Нормирование и определение динамических характеристик

аналого-цифровых преобразователей мгновенного электрического

напряжения и тока" та 1ншэ).'

Частила II. Методолог!я експоттмвнтального лосл!лження

метролог1чних характеристик АИЛ

Глава Застосування ун!версальноЕ метролог!чноГ ^одел! АШ1

для вир1ив1шя завдань метролог!чного забезпечення BIC

У багатЬох вкладках канал BIC являв собою посл!довне

з'еднання р-1 лШйних аналогових. перетворювач!в 1 АЦП.

Запропонована метролог!чна модель- АЦП (23) зручна для побудови

модел! каналу. Показано, що при умов!, коли динам!чвд похибка

|AJ « шах |x(t)|, модель аналоговой частини каналу мае вигляд t t

yp(t)=Äf(x)+A^(x)+(I+ef)Jgs(t-x)x(x)n;t

де " _

Кр'+ V-V.C- ло <г4>

Kp_X""h) ^...К.^Чх) - (25)

I+ö"'+... *0¿p'= I+ö^; (2ö)'

t t

Таким чином, модель аналоговой частини каналу BIC як!сно не в1др!зняеться в!д модел! вх!дного л!н1йного пристрою АЦП, а модель каналу - в!д моде л i АЦП. Ом» метода нормування t визнвчення метролог 1чних характеристик каналу 1 АЦП мокуть бути ун!ф1кован1, а вирази (24)+(27) використовуватися для розрахунку метролог!чних характеристик каналу.

Глава 6¿ риб!р точок пэрев1ши ¿ вшгообувальних сигнал!в ■ Перев1рка вс!х р!вн!в компарування АЦП з метою знаходження максимально1 похибки мохе бути процедурою, що потребуе чималих витрат. Тому' намагаються зменшити число точок П9рев1рки, враховуючи залажност! ~ м!ж похибками. . Вир1шена задача, яка стосуеться вибору точок для най01льш вагального випадку: АЦП з будь-яким числом стушн!в г 1 будь-яким -числом компаратор!в в кожному ступен! т4 п^,'..., mr.

' г ■ ■

Виведено р!вняння» що Ы1стять Б 2m.- m незалекних похибок.

j«» 1

Для ix визначення достегаю взяти в1дпов1дае число точок перев1рки. Ягацо в ткн!й точц! знайдено похибку, то р!вняння дозволяют.ь 'розрахувата похибку в 1ших точках. Биникае завдання потуку точки з максимальною похибкою. Для його вир1шення пропонуеться ефективний алгоритм.

Даний П1дх1д до вибору точок шрев!рки та алгоритм визначенйя ■ Игструмэнтально* похибки е досить звгвльвим 1 поширюеться практично ца bcí вида АЦП.

Узагальнвння поняття "точки перевЮки" £ випадку випробування Щ1 £ линам1чному режим!. Проблема вибору точок перев!рки безпосередньо пов'язана з видом випробувального

сигналу.

Класу вх!дних сигнал1в АЦП в!дпов1дае певна область фазово! площини (хШ, х' (1;)}. Якщо розашрити поняття "точки пэрев!рки" 1 визначйти його як пару значень ) 1 х' (1), то випробувальний сигнал повинен фактично забезпечити контроль похибок в окол! точок ц!е* облает!. ,

Показано, то задачу можна вир1шити за допомогою

випробувального сигналу, типу

хоШ = х0+ Хоив1п(иг).

Введения додаткового ступени свобода (хо) (кр1м звичайних Хом 1

со) дозволяв наблизити режим випробувань- до реальних умов робота

АЦП. Д!йсно, зм1ною хс, Хом 1 и можливо забезпечити отримання

потр!бних сполучень х 1 йх/йг в момент запуску АЦП. На область

1снування вх1дних сигнал1в, що задана на фазов!й площин!, може

бути накинута необх!дна с!тка точок перев!рки. Це дае моклшз1сть

отримати . найб!лып адекватн! оц!нки метролоПчних. властивостей

АЦП.

Глава 7ь Метода досл!дження АШ а статичному режим!

Проведено анал!з 1 систематизац!» Юнуючих метод!в

•с

визначення метролог1чних характеристик АЦП.

Алгоритм вим!рювань при реал!зац11 будь-якого методу м!стить у загальному випадку дв! операц!!: визначення похибок 1 пвраметр!в АЦП в точках перев!рки та обчислення метролоПчно! характеристики на основ! отриманого масиву даних.

В1дпов!дно до цього спочатку проведено сп!вставлення метод!в ! висв!тлення особливостей алгоритм!в, як! визначають' систематачну складову похибки або дШсннй р!вень компарування в заданий тсчц! дхапазону, а пот!м - алгоритм!в обройки даних» що накопичуються або накопичен! у процес! проходаення точок, загальн! методики визначення т!е! чи !шох метролог!чноУ

характеристики.

Опис методов ! алгоритм1в подано в един!й систем1 понять (терм!н1в 1 позначень), що впорядкован! при розроОц! теорП АЦ-перетворення 1 универсально! метролог1чноК моделI АЦП. Це дозволило отримати достатньо компакта! вирази для обчислення '' похибок л!н!йност1, адитивно!' 1 мультшШкативно! похибок.

Виев!тлено особливост! алгоритм!в визначення похибок л!н1йност! у випадку, коли АЦП е засобом вим!рювання -в!доме), 1 у випадку, коли АЦП е засобом перетворення сигналу, якому попередньо не надане точне значения д.

Отримано вираз для узагальнення "е^-функцП" в умовах, коли приведен! до входу шуми описуються функц!ею щ!льност! ймов!рностей р(х):

-

1*(х) = 1Е X СБ] ] р(х*-х)йх*'1 - X. (28)

Д1йсно, при в!дсутност! шуму р(х*-х)=0(х-х*) (28) переводить в (7).

Розраховано величину методично! похибки при багаторазовому вим!рюванн1 в точц! у залешост! в1д сп1вв!дношення р1вня ;шуму ! кроку квантувйння о^.

Глава 8. Метода досл!дження АШ в динам!чному режим!

. -Маючи на мет! пол!пшити узагальнення, систематизац11) 1 подальшу класиф!кац1» метод!в, проведено уточнения понять'"метод вз!рцево1 м!ри" 1 "метод вз!рцевого приладу" в1дпов!дно до динам!чного режиму випробування АЦП.

Приводиться узагальнений метод вз1рцево! м1ри на основ! пер!одичного випробувального сигналу Оудь-яко* форми, миттев1 значения якого в!дом1 апрЮр!. Метода на основ1 синусо!дного сигналу розглянут! як частковий випадок.

Наводиться узагальнений метод визначення данам1чних похибок (систематично! похибки, похибки !нт^грально!• та диференШально! лШйност!) на основ! переданного випробувального сигналу, апр!орна 1нформац!я про миттев! значения якого подана у вигляд! фунюШ Щльност! ймов!рностей (узагальнення так званого г!стограмного статистичного методу).

Подаеться узагальнений опис метод!в вз!рцевого приладу I проводиться анал!з часткових випада1в:

.- випадковий випробувальний сигнал з в1домою щ!льн1стю швидкост! зм!ни сигналу;

- детэрм1новашй сигнал, абсолютна 'значения швидкост! зм!ни якого в фушаЦею р!вня сигналу в даний момент часу. ' Описуеться запропонований диференЩальний метод на основ! складного сигнале/

xo(t) = хо+ Xom aln(wt-Kp), певн! переваги якого були розглянут! вще.

Алгоритм вим1рювань цим методом е наступним. Спочатку на вх!д АЩ подаеться т!льки пост1йний сигнал х , зд!йсшоеться К

о

запуск!в АШ 1 рееструеться масив результата H(t)., 1 = 1,1с. Пот 1м додатково вмикаеться сигнал х sin tot, 1 зд!йснюеться

©ГА

запуск АЩ в момент часу tWi i tkr3 (фази сигналу повинн! дор!внювати 0 ! зс, в!ддов!дао). Отриман! значения N(tkíl)q ! N(tWj)q такса рееструються. Це дозволяв сп1вставити результата перетворення однакових миттевих значень ■ сигналу в статичному I г динам1чному режимах 1 практично вилучити вплив статичних похибок 'як АЦП, так 1 генератора випробувального сигналу. •

Позитивними сторонами цього методу е. висока чутлив!сть í в!дносно невисок! вимоги до точност! встановлення ампл!туди синусоКдного сигналу. У зв'язку з цим в!н рекомендувться для еталонних вим!рювань.

Bol розгляяут! метода ор!еитован1 на огримання характеристик динам!чних власгивостей АЦП.

Практично для кожного з метод!в, що анал!зуються, знайден! вирази для обчислення оц!нок систематично! 1 випадковоК складових' похибки датування в!дл!к1в.

Роэглянут! такок алгоритми визначення характеристик швидкод! í АЦП: "часу перетворення" (Тщ,). "часу затримки запуску" (Г33), "часу реакцП" на сигнал типу "сходинка" (ТрС). Глава 2i. расиД)1кац1я метод!в досл!дкенъ АИЛ • • Якщо зас!б вим!рювання (зокрема, АЦП) не е вих!дним, то немае 1ншого способу його градуювання кр!м того, як привести до взаемод1К з 1ншим (вз!рцевим) гасобом, похибки якого нормован!. Анал!з показув, що АЦД 1 вз1рцевий зас!б (наприклад, ЦДЛ) з'еднушгьоя або аналоговими, або цифровими входами-виходами. На рис.4 показан!. ыохшив1 вар1анти з'едаання АЦП. 1 вз!рцевих засоб!в.

rí

'Ьн)

x©?HZE!H

Г4*) _

У*. Н1

Рис. 4

Використовуються так! умовн! поэначення: для вим!рювального приладу (АЦП)

I —> N

;

для м!ри (ЦАП)

х <— N

Стр1лка вказуе напрямок вим1рввального ' перетвореиня. При зображенн! вз!рцввого засобу х, Н зам!ншгься хо, Анал1з показуе, то моклив! дв1 ситуацП:

х = хс; АШ) = Щ - М^, . • (29)

тобто результат перетвореняя Кя 1 значения вз!рцевого сигналу НоЧо пор!внюються в цифров!й форм!;.

К» Ах = х - х„, (30)

О О * .

тобто похибка е результатом пор!вняння в аналогов!® форм!.

. Сп!вв!дношення (29) 1 (30) мають певну симетр!» ' ! в!до<Зражають два способи отримання ШформацП про похибку вшробуваного АЦП. Р!зниця м!к ними в принциповою. Тому 1х доц!льно вважати за найб!льш загальну ознаку при класиф!кац11. Метода, для яких справедливо (29), назван1 "методами прямого вз!рцевого перетворения", а т1, для яких справедливо (30), -"методами-зворотнього вз1рцевого перетворення".

За наступну (гаталу зй рангом) ознаку зручно вважати вид вэ!рцевого засобу, тобто вне в!домий розпод!л на "метода вз!рцевого приладу" ! "метода вз1рцево1 м!ри". Дал! - вид випробувального сигналу, що мае важливе значения фактично т1льки для метод!в досл!даення динам!чних характеристик. Ще нижче -особливост! алгоритму вим!рввань 1 алгоритму обчислення експерименталъних даних. За вказаними принципами розроблена ' класиф!кац1Йна схема.

Метода прямого вз!рцевого перетворювання для досл!данъ в статичному режим! е розвитком традиц1йних метод!в пов!рки засоб!в вим!рюваннь електричних величин.

Метода прямого .вз!рцевого перетворення для досл1джень в динам!чному режим! на основ! вз!рцево! м!ри - припускають використовування пер!одичних випробувальних сигнал!в, част!ше

всього синусоКдаих. •

АпрЮрна !нформац!я про вшробувальний сигнал може бути мШмальною, якщо використовуються метода вз!рцевого приладу. Випробувальний сигнал може бути як детермшованим, так t випадаовиы.

Метода зворотнього вз!рцевого перетворення на . основ! вз!рцево! м!ри запропонован! в!дносно недавно 1 ще не достатньо розвинут!, хоча 1 мають певн! позигивн! особливост!: в1дсутн!сть впливу похибки квантування, м!н!мум обчислень; можливЮть в!зуал1зац11( е^-функцП.

Що ж стосуеться метод!в зворотнього вз1рцевого перетворення на основ! вз!рцевого приладу (АВД0), то приклада ix застосування ще нев!дом1, але немае сумн!ву в можливост! IX реал!зац!1.

Частина III. Вих!дн! £ вз!рцев! засоби вим!тавання для визначення меттюлоПчних характеристик уШП

Глава 10. Структура £§ напсямки розвитку техн1чно! бази метролог!чного забезпечення А1Щ

Упорядковування нетод!в ! засоб!в визначення метролоПчних характеристик Щ1 значно полегшуеться при наявност! затверджених пов!рочних схем (або доповнень до них), як! б враховували специф!ку ,АЦП. Тому розглянуто структури локальних .пов1рочних схем для АЦП, у яких нормован! як статичн1, так 1 данам!чн! характеристики. Для динам!чних вим!рювань можлив! два вар1анти робудови пов!рочних схем. В першому вар!ант! передбачаеться в якост! вих1дйого засобу використовувати джерело (генератор) сигналу а в!домими миттевими значениями, в другому - вим1рювач (прилад) миттевих ■значень. Досить нетрив!альним питаниям е вствновлёння сп!вв1даошення . м!ж характеристиками суп!дрядних засоб!в.

Доведено, що на основ! принципу екв!валентност! ампл1тудних 1 часових похибок при встановленн! . iepapxlï- засоб!в динам!чних вим!рювань южна користуватися традиц!йним сп1вв!дношенням, але в часов!Й облает!:

oi0,< 1/3 ст_ \ \

Проведено обгрунтування , складу комплексу вих1дних 1 вз!рцевих засоб!в вим!рювань для метролог!иного забеэпэчення АЦП, ЦАЙ ! прилад!в на ïx основ!. Контроль л!н!йност! перетворювач!в. забезпечуе установка вищо! точност! (УВТ) для вим1рювання в!дношення напруг (безпосередньо або через п!дряди1 засоби -кал!братори ! вз!рцев! ЦАП, як основу автоматизованих установок метролоПчних служб п!дприемств або в!домств).

В облает! нижчих частот тип вих!дних засоб!в доц!льно вибрати зг!дно з другим вар!антом побудови пов!рочно! схеми, в облает! вищих частот доц!льно притримуватися першого вар!анту.

Запропоновано сгруктурн1 схеми УВТ обидвох тип1в. Вс! вони м!стять прециз1йне дкерело компенсуючо! напруги, що дозволяв забезпечити високу точнЮть вим1рювання або формування випробувалыгох сигнал!в.

Запропоновано розрахунково-експериментальн!.метода атестац1ï

УВТ.

Глава II. Метода побудови ггрешз!йних твидкод!тних Alïïl i ЦАП ' н§ основ! струмових елемент!в

Р1зноман1тн!сть, яка спостер!гаеться у схемах АЦП t ЦАП, значною м!рою пов'язана з мохлив!стю з'еднання потенц!йних 1 струмових елемент1в. Незважаючи на певн! переваги струмових елемент!в 1 струмових ланцюг!в (простота, висока швидкод!я 1 точн!сть струмових ключ1в, простота 1 точнЮть оперец!ï сумфання розрядних струм1в та 1нше) нев!дом1 перетворювач!, як!' були б

побудован! Щлком за сгрумовою структурою. Це, мабуть, пов'язано' з там, що немав досить гнучко!, функц1онально повноИ систем сгрумових елемент1в, 3. метою розвитку тако* система були запропонован! схемотехн!чн! р!шення для струмових елемэнт!в, нов!' тили елемент!в (компараторц струм!в, повторювач!. 1 под1льники струму, джерела струму, струмов! ф1льтри), а такок нов! струмов! структурн! схеми АЦП 1 ЦАП. На ix основ! був розроОлений б!полярний 22-розрядний ЦАП-кал1братор (ЦАП-22), який ув!йшов до складу вих1дноК установки для вим!рювання в!дношення напруг.

Глава 12. Результата розробки вз!рцевих (вих!дних) засоб!в меттюлог!чного забезпечевня АЫП

Опис вз!рцевих засоб1в вим1рювання приводиться для !люстрац!К 1 •'п!дтвердкення окремих результат^ теоретичних t методичних досл!джень, викладених в попереда1х главах.

Установка для вим!рюванйя. ^литтевих значещ. перЮдичних !мпульсних напрут (УИМЗ). Побудована по схем! з компенсац1йним дкерелом напруги í^ i даференц!йним Шдсилювачем сигналу ü(t)-Ek.. Метролопчн! характеристики установки:

- д!апазон вим!рювання напруги IGB;

- основнё похибка вим1рювання - hó б1лыпв 0.0256; .

- максимальней час реакцИ - не б1льше I мкс.

Для обгрунтування методики атестацИ УИМЗ розроблено модель даференц!ального п!дсшишача 1 проведено нвобх!дн! розрахунки.

Досл1дкення динам!чних. характеристик УИМЗ проводились у режимах "малого" (до 100 • мВ) 1 "великого" (до 10 В) випробувальних сигнал!в типу "сходанкаГ (зг!дно !з запропонсваним п1дходом. до атестацИ вих!дних засоб!в цього тицу). В режим1 ^малого" ' сигналу було визначэно перех!дну характеристику УИМЗ (параметра л!н1йноК модел!), а у режим! "великого" сигналу - час

усталаност! (основний параметр нел1н1йно5! модел!).

Атестац1я УИМЗ була проведена. метролоНчною службою ДНД1 "Система" в 1986 р. Установка винористовувалася для атестацП г'енератор{в 1мпульс1в точно! ампл!туди 1 ЦАЦ. (по часу усталеност! ).■

ЦиФговий диференШальний стробукчий вольтметр БК-03. Як 1 в УИМЗ найважлив1ший вузол БК-03 - диференц1алышй Шдсилювач, з'ёднаний з АЦП. У момент часу, коли необх!дно визначити р!зницю .двох. напрут иш-Е^ на вх!д стробування АЦП подаеться 1мпульс.

Метролог1чн1 характеристики БК-03:

- абсолютна похибка вим1рювання р1зниц1 двох напруг (вх1дно! 1 компенсуючо!) не б!льше ±0.1 мВ у д1впазон1 зм1ни компенсуючо!' напруги ±15 В;

- чао реакцП - не б1лыго 15 мкс.

Атестац1я БК-03 була проведена мзгролог!чною службою ДНД1 "Система"-в 1988 р. розрахуйково-експериментальним методом.

УИМЗ 1 БК-03 можуть розглядатися як прототипи вих!дних засоб!в вим!рювання, запропонованих вице.

Вих!дна вз{рнева установка для вим!рювання• в!щошення напруг. Роботи по створенню установки виконувалися за "Програмого розвитку еталонно! бази СРСР в 1985-1990 рр.". Мета -удосконалення метроло"1чного забезшчення масштабних перетворювач1в, АЦП, ЦАП, а також цяфрових вольтметр!в та кал!братор!в. Метролог1чн1 характеристики установки:

основний д1апазон напруг - ± 10 В;

приведена похибка в!дтворення в1дпопення напруг в основному д!апазон1 - 5-Ю"7;

приведена похибка вим!рювання в1дношення напруг в основному д1апазон! - 7-10~т.

До основних метролог!чних - компонент!в установки, належать ЦАП-22, який описаний в попэредаьому розд!л1, ! прецизИйый под1лышк напруги.

Установка м!стить також елемент нормальной термостатований груповий - Mlpy е.р.с. I розряду, яка використовуеться в процедурах кал!брування t атестацП.

АтестаШя проведена НВО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева" в 1990 р.

Локальна пов!рочна схема, яку очолюе установка, узгоджена з НВО "ВНИИМ. им. Д.И.Менделеева" 1 затверджена як - доповнання до ГОСТ 8.027-89.

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТ« I ВИОНОВКИ

1. Розроблено дедуктивну теорию АЦ-перетворения безперервних сигнал!в. Понятгя i сп!вв!дношення отриман! . на. основ! трьох фундамент вльних понять: "р!вень компарування", "р!вень квантування" 1 ".стан ф!зичноГ системи (АЦП)".

2. Доведено, що структура! схеми АЦП. задов1льняють принцип дуальност!.- Це дае можлив1сть будувати дуальн! вар!анти АЦП. формальним шляхом. .Оформульовано в1дпов!да! правила переходу, !нвар!антом якого е алгоритм АЦ-первтворення.Запропоновано б!льш детальну класйф!кац!ю АЦП електричних сигнал!в на основ! системи "структурно та алгоритм!чних ознак р!зного рангу.

3. Розроблено ун!вэрсальну мэтролоПчну модель АЦП.

4. Сформовано принцип екв!вал8нгн0сг! ампл!тудних i часових похибок АЦ-перетворення сигнал!в з ф!н!тним спектром.

5. .. Обгрунтовано п!дх!д до нормування динам!чних характеристик, < як! розпод!ляються .на дв1 основн! 1-рупи: характеристики динам!чноГ похибки 1 характеристики !нерц!йних влвстивостей АЦП. Показано, що останн! б!льш задов1льняють умовам застосування АЦП в склад! BIC. Цей п!дх!д покладено в основу

методичних вказ!вок РД 60-148-79 "Нормирование и определение динамических характеристик аналого-цифровых преобразователей мгновенного электрического напряжения и тока".

6. Показано, що ун1вэрсальна мотролог!чна модель АЦП може використовуватися при вир1шенн! завдань метролог!чного забезпечення BIC. При досить слабких обмеженнях модель каналу BIO вводиться до модел! АЦП. Це дозволяв розповсюджувати метода нормування 1 визначення метролог1чних властивостей АЦП також на канали BIC, що м!стять АЦП.

7. Проведено анал!з 1 систематизации 1снуючих метод!в визначення'статичних характеристик АЦП. В результат!:

- запропоновано алгоритм вибору точок перев!рки для загального випадку (для багатоступеневого АЦП, що мае будь-яке число ступен!в ! компаратор!в у кожному ступэн!);

- знайдено компакта! вирази для обчислювання адативно*, мультипл1кативно! похибок 1 'похибки л1н!йност1;

- вид1лено' особливост1 алгоритм!в визначення похибок л1н!йност1 в залежност! в!д статусу АЦП.

8. Проведено анал!з 1 систематизац!ю 1снуючих та вперше запропонованих метод!в визначення динам!чних характеристик АЦП. Подано узагальнений метод вз1рцевого приладу 1 метод вз1рцево! м!ри при використанн1 як детерм!нованих, так ! випадкових сигнал! в. Проведено уз-тальнення так званого Пстограмного статистичного методу. Запропоновано алгоритм визначення характеристик похибки датування в!дл!к!в при використанн! складеного сигналу (диференц!альний метод).

9. Розроблено .детальну класиф!кац!ю метод!в визначення статичних 1 динам!чних характеристик АЦП. Запропонован1 принципа класиф!кац11 можуть бути розповсюдкен! на !нш! класи засоб!в

виШрювання. •

10. Обгрунтовано склад комплексу вих1дних 1 . вз1рцевих sacoölB вим1рювання для досл!даення 1 контролю характеристик л!н1йност1 t динам!чних характеристик АЦП. Розроблено структурн1 схеми установок вищоХ точност!, а. також . розрахунково-експериментальн! метода ix атестац11. Обгрунтован! структури локальних гов1рочних схем.

11. Розроблено i атесговано (у порядку реал1зац11 комплексу) вих1дну вз!рцеву установку для вим1рювання в!дношення напруг. Остання очолюе локальну пов!рочну схему, яка затверджена як допрвнення до ГОСТ 8.027.89 при визначенн1 характеристик л!н1йност1 эасоб!в вим!рювання напруги пост1йного струму - АЦП, ЦАП, цифрових вольтметр!в, ' кал1братор!в, масштабних перетворювач1в.

OCTOBHI ЛУБД1КАЦП ЗА TEM0D МОЕРТАЦП

1. Брагин; A.A., Семенюк А.Л. Основы метрологического обеспечения аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. - М.: Иад-во стандартов, 1989. - 164с..

2. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация)./ Удовиченко Е.Т., Брагин A.A. ¡ri др. Под ред. проф. Удовиченко Е.Т.- М.: Мзд-во стандартов, 1991.- 192с. '

3. Bj-agln A. Cons traction о I theory о I analog-digital conversion on basis of magnitude comparison. Proceedings of the XIII IMEKO World Congress , TORINO, September- 5-9, 1994. -vol. 3.- pp.2347-2352.

4. Брагин A.A. К теории'квантования непрерывных сигналов. -В. кн.: Теоретические вопроси метрологического обеспечения ИИС (Сб.научн.тр.). - Львов: ВНИИМИУС,. 1987. - с.14-27.

• 5. Брагин A.A. О понятии "градуировочная характеристика средства, измерения"', г В кн.: Исследования проблем передачи размеров •. физических величин измерительным системам (сб. научн.тр.) - Львов: ВНИИМИУС, 1989. - с.65-76.

6. Брагин A.A. Градуировочная характеристика и построение

метрологических моделей средства измерения. В кн.: Доклады Международной конференции с Выставкой "Мора-ЭО", ИМЕКО, - М.,1990

- 41.1 - с.83-91.

7. Брагин A.A., Бородатый В.И..Коновалов В.И., Семенш А.Л. Вопросы нормирования и определения динамических характеристик (ДХ). аналого-цифровых преобразователей. В кн.: Метрологическое обеспечение ИИС и их компонентов (сб.трудов). - М.ВНИИФТРИ, 1978.

- с.58-65.

8. Брагин A.A., Семенюк А.Л., Бородатый В.И., Коновалов В.И. Автоматизированный контроль динамических характеристик АЦП'и ЦАП.

- Измерительная техника. - 1979. - N4. - с.25-26.

9. Брагин A.A., Бородатый В.И., Коновалов В.И., Семенш А.Л. Нормирование и экспериментальное определение времени преобразования быстродействующих- аналого-цифровых преобразователей. - Метрология. - 1977. - N3.' с.25-30.

10. Брагин A.A., Семэнюк А.Л. Стандартизация методов нормирования и определения метрологических характеристик АЦП, ЦАП (состояние и основные задачи). В кн.: Метода и аппаратура экспериментального исследования аналого-цифровых преобразователей. - Изд-во Саратовского университета, 1984. -с.8-13. '

11. Брагин A.A., Коновалов В.И., Семенш А.Л. Нормирование динамических характеристик быстродействующих АЦП. - Измерительная техника. - 1981. - N 6. - с.16-18.

12. Брагин A.A., Зильберман Г.А., Коновалов В.И., Семенюк А.Л., Метрологические проблемы динамических измерений в ИИС. -Измерительная техника, - 1985. - N2. - с.10-11.

13. Брагин A.A. Выбор проверяемых точек при экспериментальных исследованиях аналого-цифровых преобразователей В кн.: Теоретические вопросы метрологического обеспечения ИИС (сб. науч. тр.). - Львов: ВНШМИУС, 1987. - с.47-58.

14. Брагин А.А, Средина И.Г.. Установка для определения апертурного времени быстродействующих аналого-цифровых преобразователей. В кн.: Метрологическое обеспечение динамических измерений в информационно-измерительных системах: (Сб.науч.тр.) -Львов: ВНИИМИУС. 198Г. - с.71-76.

15. Брагин А.А, Семенюк А.Л., Бородатый В.И.. Коновалов В.И. Вопросы. построения автоматизированных систем .. для определения динамических характеристик компонентов измерительных

информационных систем. В кн.: Исследования в области системных измерений (сб. научн. тр.) - Львов: ВНШШУС, 1980. - с. 13-26.

16. Брапш A.A. Анализ и классификация методов определения метрологических свойств аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. В кн.: Метрологическое 'обеспечение' динамических измерений в ШО (Сб. науч. тр.) - Львов: ВНИИМИУС, 1986. - с.5-14.

17. Брагин A.A. Структура и направления развития технической базы метрологического обеспечения измерительных систем. В кн.: Исследования проблем передачи размеров физических величин измерительным системам (сб.науч.тр.). - Львов: ВНИИМИУС, 1989. -С.4-14.

18. Брагин A.A., Мизюк Г.Л., Страшкевич А.И. Устройство для измерения времени установления многоразрядных цифроаналоговых преобразователей. В кн.: Метрологическое обеспечение динамических измерений в ИИС (сб. науч. тр.). - Львов: ВНИИМИУС, 1984. -. С.59-65. ;

19. Брагин A.A. Анализ точности дискриминаторов напряжения на основе полупроводниковых диодов. • - Отбор и передача информации. - Киев: "Наукова думка", 1974. - Вып.39. - с.69-76.

20. Брагин A.A., Капустин А.Н., Орлов B.C. Быстродействующий цифроаналоговый преобразователь тока. - Измерительная техника. -1980. - N7. - С.56-58.

21. , Брагин A.A., Орлов B.C., Страшкевич А.И. Быстродействующий токовый компаратор. - Приборы и техника эксперимента.» - 1975. -N5 - с.139-140.

22. Брапш A.A., Орлов B.C., Страшкевич А.И. Исследование динамических характеристик компараторов тока. В кн.: Метрологическое обеспечение ИИС и их компонентов (сб.научн.тр.). - М: ВНИИФТИ, 1978. - с.76-83.

'23. Брагин A.A., Мизюк Г.Л., Щербинин Н.И. Устройство для измерения мгновенных значений периодических импульсных напряжений. Приборы и техника эксперимента. - 1983. - N2. -с. 95-96'.

24. Брагин A.A., Мизюк Г.Л., Щербинин Н.И. Измерение времени установления испытательного сигнала типа скачка электрического напряжения. - Измерительная техника. - 1982. N5. - с.21-23.

25. Брагин A.A., Зильберман Г.А. Исходная образцовая установка для измерения отношений и ее применение для определения

погрешности линейности АЦП и ЦЛП. - Измерительная техника. -1991. - N9. - с.18-19.

26. A.C. N805418 СССР. Устройство для контроля апертурного времени блоков аналоговой памяти / А.А Врагин. - N2307181/18-24. Заяв.04.01.76., Опубл. 15.02.81. - Бюл. N6.

27. A.C. N729575 СССР. Источник тока / А.А.Брагин.В.С.Орлов,

A.Н.Капустян. - Заявл.27.09.78. N2668142/24-07. - Опубл.25.04.80.

- Бюл.N15.

28. A.C. N664I6I СССР. Стабилизатор постошшого тока /А.А.Брагин, В.С.Орлов. Заявл.28.09.77, N2530380/24-07. Опубл.25.05.79. - Вт.N19.

29. A.C. N 455473 СССР. Нуль-Орган /А.А.Брагин, В.С.Орлов,

B.В.Хомцов, А.И.Страшкавкч. Заявл.19.03.73. -NI893978/26 - 9. -Опубл. 30.12.74. - Бюл. N48.

30. A.C. N469939 СССР. Дифференциальный амплитудный дискриминатор тока /А.А.Брагин. Заявл.25.07.73. - Н 1948119/26-25

- Опубл. 05.05.75. - Бюл. N17.

31. A.C. N1229960 СССР. Двухполярннй цифроаналоговый преобразователь /А.А.Брагин, В.С.Орле?, Л.А.Писко, А.О.Страшкевич. Заявл. 05.12.83. - N3671301/24-24. - Опубл. 07.05.86. - Бюл.N17.

: Особистай внесок. В роботах, що опублiкован! в

сп1вавторств1, дисертанту належать: в монограф!I [1] глави I, 3+7

(теор!я 1 класиф!кац1я АЦП, метода доел! дань АЦП 1 ix

класиф1.квц1я, атесгвц1я засоб!в вш1рвввння параметр {в АЦП); в

моногрвфП С2] глави I 1 2 (модель АЦП, модель канала BIC з АЦП,

розрахунки MX канала); в 17-И2] структура модел! АЦП 1 принципи

нормуввння MX; в t14,251 структурн! схеми установок t алгоритми

визначення MX; в [18,233 структурн! схеми вим1рювач1в миттевих

значень напруги; в £21,27+291 основн! 1де1 побудови струмових

елемент!в 1 ix обгрунтування; в [20,313 пришили побудови ЦАП на

струмових елемэнтах запропон

Аннотация

Брагин А.А. Теоретические основы нормирования и методы экспериментального определения метрологических характеристик аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. Диссертация на соискание ученой степей* доктора технических наук по специальности 05.11.15 "Метрология и метрологическое обеспечение". Институт электродинамики, Киев, 1994.

Защищается 50 работ и II авторских свидетельств, содержащих дедуктивную теорию АЦ-преобразования и универсальную метрологическую модель АЦП, систематизацию методов испытания АЦП, структурные схемы исходных средств измерения для испытаний АЦП в статическом и динамическом режимах, методы их аттестации. Основные результаты реализованы в виде нормативных документов и средств измерений.

Annotation

Bragln A.A. Normalization theoretical basis and methods of experimental determination of metrological characteristics of analog-digital convertors ior electrical' signals. Supporting of a thesis for the doctor oi technical sciences degree in speciality 05.11.15 "Metrology and metrological maintenance". Electrodynamics Institute, Kiev, 1994.

Supporting oi 50 papers and 11 patents, which contain the analog-digital converting theory, the ADO universal metrological model, the eystematizatlon ol the methods ror ADO testing, structural schemes oi standards lor static and dynamic ADC testing, their certification methods. Main results are realized in the form of normative documents and measuring instruments.

Ключов! слова: аналого-цифровий перетворювач, метролоПчна характеристика, похибка вим!рювання.