Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение касается преобразования аналоговых сигналов в цифровой код. Изобретение позволяет повысить точность за счет улучшения линейности характеристики. Особенность предложенного технического решения заключается в использовании избыточных измерительных кодов для коррекции линейности характеристики преобразования , которая осуществляется с помощью введенных регистра последовательного приближения, цифроаналогового преобразователя и тактового генератора , частота которого, в режиме самоконтроля регулируется с целью обеспечения заданных требований по линейности преобразования. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. (Л о со со Од

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

«Ц

РЕСПУБЛИН (19} (}1) (5}} 4 Н 03 M 1 26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° °

° ° (21 ) 3883962/24-24 (22) 15.04. 85 (46) 15.12.86. Бюл. У 46 (71) Винницкий политехнический институт (72) А.Д.Азаров, А.П.Стахов и В,П.Волков (53) 681.325(088.8) (56) 1!!ляндин В,М. Цифровые электроизмерительные приборы. М,: Энергия, 1972, с. 189.

Авторское свидетельство СССР

}! 1197079, кл. Н 03 М 1/26, 1984. (54 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ (57) Изобретение касается преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, Изобретение позволяет повысить точность за счет улучшения линейности характеристики ° Особенность предложенного технического решения заключается в использовании избыточных измерительных кодов для коррекции линейности характеристики преобразования, которая осуществляется с помощью введенных регистра последовательного приближения, цифроаналогового преобразователя и тактового генератора, частота которого. в режиме самоконтроля регулируется с целью обеспечения заданных требований пО линейности преобразования. 1 з;и. ф-лы, 4 ил.

1 1277396

Изобретение относится к цифровой вычислительной и измерительной тех- д нике и предназначено для преобразова- r ния аналоговых величин в цифровые к

Аналого-цифровой преобразователь олжен быть построен на основе избыочных измерительных кодов, например адов "золотой" р-пропорции. Приме»»ительно к преобразователям циклического типа с. переменным опорным напряжением целесообразно использовать симметричный код золотой р-пропорции. Любое действительное число в

10 таком коде может быть представлено в виде

На фиг. 1 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя, на фиг ° 2 — пример реализации тактового генератора, на фиг, 3 граф-схема алгоритма работы устрой- 15 ства, на фиг. 4 — функциональная схема блока управления °

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит входну»о шину 1, анапоговый коммутатор 2 (AI(), пер- Zp вый аналоговый запоминающий элемент, выполненный на конденсаторе (С) 3, усилитель 4, блок 5 сравнения (БС), источник 6 опорного напряжения (ИОН), ключевой элемент 7 (КЭ), второй ана- 25 логовый запоминаннций элемент, выполненный на конденсаторе (С) 8, первый блок 9 ключевых элементов (БКЭ), третий аналоговый запом»»на»ш»»»»й элемент, выполненный на конденсаторе 30 (С) 1О, второй блок 11 ключевых элементов (БКЭ), регистр 12 сдвига (PC), блок 13 контроля кодов (БК), регистр 14 последовательного приближения (РПП), цифроаналоговый преобразователь 15 (ЦАП), тактовый генератор 16 (ТГ), выходные шины 17, блок 18 управления (БУ), входную шину 19 "Режим работы", к которой подключен первый вход блока 18. Послед- щ пий содержит выходы с первого по шестой 20-25, второй вход 26, седьмой и восьмой выходы 27 и 28, третий и четвертый входы 29 »»» 30, девятый и десятый выходы 31 и 32, пятый вход 33 45 и шестой вход, который является шинои "Запуск".

Тактовый генератор 16 (фиг. 2) может быть выполнен на компараторе

34 (К), операционном усилителе 35 (ОУ), резисторе (Б) 36> конденсаторв (С) 37, ключевом элементе 38 (КЭ).

Блок 18 управления (фиг. 4) выполнен на постоянном запоминающем устройстве 39 (ROM), первом и втором регистрах 40 и 41 (Ra),. счетчике 42 пересчета на три (СТ ), счетчике 43 тактов (СТт), триггере 44 (Тг), формирователе 45 импульса (Г). бОО

N= P а; »»».

»=-ОЭ

» где а,c (1,1 — двоичный коэффициент, причем а =1 соответствует суммированию веса i-ro разряда а а =1 — выВ

1 читанию веса i-го разряда, Мр — вес i-ro разряда, р=0,1,2, ;, — параметр кода.

В этих кодах между весами разрядов существуют контрольные соотноп»е- ния:

I p» 1 1 s 7 (1) ф,;-р- Я

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь работает в двух режимах: режиме преобразования входной аналоговой величины А в симметричный n — р а з р »я»д »н »ы,» и код нзолотой" р-пропорции и в режиме самоповерки.

Преобразование входной аналоговой величины:А в п-разрядный код проис»» ходит за и тактов, в каждом из которых формируется значение одного разряда выходного кода. В процессе кодирования преобразуемая аналоговая величина А> алгебраически суммируется с набором из и эталонных уровней U»., 9»3 формируемых на запоминающем конд енсато р е 1 0 . Коди ровани е входной анало г о вой в е »»»»чины А производится в соответствии с соот»»о»»»ением

U =U: -a U ° (1e ) . (2) где U

i »-f

U; коды.

Цель изобретения — повышение точности за счет улучшения линейности характеристики аналого-цифрового преобразования. значение преобразуемого напряжения íà (i+I )-м такте преобразования; значение преобразуемого напряжения на »-м такте поеобразова»»ия; постоянная времени цепи разряда конденсатора 10 на конденсатор 3; длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью управляющего импульса;

1277396 (3)

1, UI 0. с -с

С, 40 а — выходной сигнал блока 5

1 сравнения, определяемый выражением:

Длительность управляющего импульса выбирают такой, чтобы значения

-t f(v, напряжений U .(1-е ) были пропорциональны весам разрядов кода "золотой" р-пропорции. Результат преобразования формируется на основании последовательности выходных сигналов а блока 5 сравнения.

В режиме преобразования участвуют все блоки устройства, кроме блока 13 контроля и регистра 14 последовательного приближения. В этом режиме аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом.

На первом такте преобразования входная аналоговая величина А через анах логовый коммутатор 2 передается на запоминающий конденсатор 3, который заряжается до напряжения Ul, пропорционального входному аналоговому сигналу А>. Запоминающие конденсаторы 8 и 10 заряжаются через ключевой элемент 7 и второй блок 11 ключевых элементов до напряжения U „от источникае 6 опорного напряжения. Напряжение U через усилитель 4 поступает на вход блока 5 сравнения. На выходе блока 5 сравнения формируется значение старшего разрядного коэффициента а1 в соответствии с выражением (3). Причем значение а =1 соответст-! вует суммированию первого эталонного уровня Uä,=Uo„è преобразуемого напряжения U, в следующем такте преобразования, а значение а,=1 — вычитанию эталонного уровня U, и преобразуемого напряжения U< . Значение разрядного коэффициента а! заносится в сдвиговый регистр 12.

На втором такте в соответствии с соотношением (2) формируется напряжение U на конденсаторе 3 следующим образом. Конденсатор )О включается через блок 9 ключевых элементов в цепь обратной связи усилителя 4 таким образом, чтобы обеспечивалась подача напряжения Б,=U „ îáðàòíoé полярности на конденсатор 3. В результате на конденсаторе 3 формируется напряжение =U -a,„,(1- ), -Ю, где,, — постоянная времени цепи разряда конденсатора 10 на конденсаторе 3;, длительность процесса пере-! заряда, определяемая длительностью управляющего имгульса.

На конденсаторе 10 сформируется

-tf(., напряжение U =П е . На выходе сю э7,i блока 5 сравнения в соответствии с условием (3) формируется значение второго разрядного коэффициента а выходного кода, которое записывается в сдвиговый регистр 12.

15 Затем по команде блока 18 управления формируется второй эталонный: уровень U следующим образом. Конденсаторы 8 и 10 включаются параллельно через блок 11 ключевых элементов, В результате происходит перераспределение заряда между конденсаторами 8 и 10 такчм образом, что на конденсаторе 10 установится напряжение второго эталонного уровня

25 Л/с, Ц -yf(, U„=U,(1/К(1-е ) (1-е )+е где, — постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 8 и 10;

30 †.постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 10 и 3;

К вЂ” коэффициент, связывающий величины конденсаторов 8 и 10; — длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью.управляющего импульса.

На третьем такте аналогичным об45 Разом фоРмиРуется напРяжение

-+/, на конденсаторе 3. На конденсаторе

10 сформируется напряжение

50 U =U е с.ю этг

На выходе блока 5 сравнения в соответствии с условием (3) формируется значение третьего разрядного коэффициента а выходного кода, которое записывается в сдвйговый регистр 12. Затем с помощью блока 18 управления, блока ll ключевых элементов, запоминающих конденсаторов

1277396

8 и 10 формируется напряжение третьего. эталонного уровня

П„Ъ=Ц,Т2(1/К(1-е ) (1-е ) --е ) .

= !Г, -

"золотой" р-пропорции, соответствующий входной аналоговой величине

А с точностью до единицы младшего разряда.

Изменение с течением времени и под воздействием условий внешней среды параметров аналоговых узлов, а именно смещения нуля усилителя 4 и блока 5 сравнения, соотношения величин запоминающих конденсаторв

8, 10 и 3, приводит к возрастанию погрешности линейности преобразователя.

В режиме самоповерки подбирают частоту импульсов тактового генератора )б, обеспечивающую преобразова— ние входной аналоговой величины А в код с заданной погрешностью линейности, Процедура самоповерки заключается в многоКратном кодировании эталонного вспомогательного сигнала

А значение которого равно А =О, эт зт

В результате кодирования эталонного вспомогательного сигнала A. формируется условие: — (4)

1, f.(f где т" — текущее значение частоты

1 тактового генератора 16;

f. „— частота импульсов тактово го генератора 16, обеспечивающая преобразование входной аналоговой величины

А> в код с заданной погрешностью линейности.

Управление частотой тактового генератора 16 осуществляется в соответствии с условием (4) с помсщью цифроаналогового преобразователя 15 и регистра 14 последовательного приближения.

В режиме самоповерки устройство работает следующим образом.

На первом такте по команде блока

18 управления в регистре 14 последовательного приближения устанавливается кодовая комбинация, в которой старший разряд является значащим. Полученный в регистре 14 последовательного приближения код преобразуется цифроаналоговым преобразователем 15 в аналоговый сигнал, управляющий частотой тактового генератора )6. В результате на выходе

5 тактового генератора )б.устанавливается частота Г, следования импульсов. Затем конденсаторы 8 и 10 заря— жаются до напряжения 11 от источника б опорного напряжения. На запоминающий конденсатор 3 через второй вход аналогового коммутатора 2 подается эталонный вспомогательный сигнал Л„=О. В результате конденсатор

3 заряжается до напряжения U< =0 ° Затем блок 18 управления генерирует набор микрокоманд, обеспечивающий преобразование напряжения U< в код описанным способом. Блок 13 контроля анализирует каждые три разряда выход) ого кода, форл1ируищегося в сдвиговом регистре 12. Причем, если погрешность линейности преобразователя не превышает заданной величины, т ° е,,частота тактового генератора 16 f то в выходном коде будут присутствовать только разрешенные кодовые комбинации вида !11 и

ill. Если частота тактового генератора 16 f, (Г,, то в выходном коде по-! явятся запрещенные кодовые комбинации, на что укажет выходной сигнал блока 13 контроля. Если f,) f то в запрещенной кодовой комбинации сформируется значение старшего разряда

35 у=l. Если 1,(1, ro в запрещенной кодовой комбинации сформируется значение старшего разряда у-), которое поступает на D-вход регистра 14 последовательного приближения.

Во втором такте самоповерки по сигналу блока 18 управления в регистре 14 последовательного приближения устанавливается в единичное состояние более младший разряд. При

45 этом старший разряд остается в единичном состоянии, если у=l, и обнуляется, если у==l. Полученная кодовая комбинация преобразуется цифроаналоговым преобразователем 15 н анало50 говый сигнал, управляющий частотой= тактового генератора 16. На выходе тактового генератора 16 устанавливается частота f> следования импульсов.

За ем процесс кодирова.ния эталонного

55 вспомогательнсго сигнала А „повторяется.

Процедура самоповерки заканчивается, когда частота тактового генератора 16 будет равна f ., =f т е. в

)277396 выходном коде будут присутствовать только разрешенные кодовые комбинации вида 111 и 111, Алгоритм функционирования предлагаемого устройства в соответствии с приведенным описанием работы приведен на фиг. 3, где обозначено: вершина 1 с начальная установка PC

12 и РПП 14; вершины 2 и 3 — заряды запоминающих конденсаторов 8 и 10, от источника опорного напряжения (ИОН) 6; вершины 4-7 — кодирование входной измеряемой величины А„ или вспомогательного сигнала А ; верши- „ на 8 — переключение разряда в регист ре 14 последовательного приближения и органиэации временной задержки Г > необходимой для установления переходных процессов на выходе цифроаналогового, преобразователя 15 и тактового генератора 16;

Необходимые для управления функционированием аналого-цифрового преобразователя управляющие и условные сигналы приведены в таблице. фо р мул а и з о б р е те ни я

1, Аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговый коммутатор, первый информационный вход которого является входной шиной, второй информационный вход подключен к общей шине, выход подключен к входу усилителя и через первый аналоговый запоминающий элемент к общей шине, первый и второй управляющие входы подключены к первому и второму выходам блока управления, первый вход которого является шиной "Режим работы", третий и четвертый выходы подключены к первому и второму управляющим входам первого блока ключевых элементов, пятый выход подключен к управляющему входу ключевого элемента, информационный вход которого подключен к первому выходу источника опорного напряжения, второй выход которого и выход ключевого элемента. подключены к соответствующим информационным входам второго блока ключевых элементов, между которыми включен второй аналоговый запоминающий элемент, управляющий вход второго. блока ключевых элементов подключен к шестому выходу блока управления, первый и второй выходы подключены к соответствующим информационным входам первого блока ключевых элементов, 5

1D

55 между которыми включен третий аналоговый запоминающий элемент, первый выход первого блока ключевых элементов подключен к входу усилителя, второй выход объединен с выходом усилителя и подключен к входу блока сравнения, выход которого подключен к второму входу блока управления и к информационному входу регистра сдви" га, первый и второй управляющие входы которого подключены к седьмому и восьмому выходам блока управления, выходы являются выходными шинами,выходы трех младших разрядов подключены к соответствующим входам блока контроля кодов, выход которого подключен к третьему входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повьш ения точности за счет улучшения. линейности. характеристики аналого-цифрового преобразования, введены тактовый генератор,цифроаналоговый преобразователь> регистр последовательного приближения, инфо рмацио нный вход ко то ро го подключ ен к третьему младшему разряду регистра сдвига, а первые выходы подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу тактового .генератора, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, девятый и десятый выходы которого подключены к первому и второму управляющим входам регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к пятому входу блока управления, шестой вход которого asляется шиной "Запуск".

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, блок управления выполнен на первом и втором регистрах, триггере, формирователе импульса, счетчике пересчета на три и счетчике тактов, постоянном запоминающем устройстве, первый и второй адресные входы которого являются первым и вторым входами блока управления, третий адресный вход подключен к выходу переполнения счетчи- ка пересчета на три, четвертый адресный вход является третьим входом блока управления> пятый адресный вход подключен к выходу переполнения счетчика тактов, шестой адресный вход является пятым входом блока управления, адресные входы с седьмого по десятый подключены к соответствующим выходам второго регистра, выхо1277396

10 ды с первого по четырнадцатый подключены к соответствующим информационным входам первого регистра, выходы с пятнадцатого по восемнадцатый подключены к соответствующим.информационным входам второго регистра,первый управляющий вход которого является шестым входом блока управления, второй управляющий вход подключен к инверсному выходу триггера и к его информационному входу, первый управляющий вход которого является четвертым входом блока управления,второй управляющий вход подключен к выходу формирователя импульса, прямой выход подключен к управляющему входу первого регистра, первый и второй выходы которого подклеены соответственно к счетному и управляющему вхо дам счетчика пересчета на три, третий и четвертый выходы подключены соответственно к счетному и управляющему входам счетчика тактов, выходы с пятого по четырнадцатый являются

1О соответственно шестым, пятым, вторым, девятым, восьмым, первым, седьмым, третьим, четвертым и десятым выходами блока управления, при этом четыр- надцатый выход первого регистра под15 ключен к входу формирователя импульса.

Обозна- Наименование чение сигналов связи

Примечание

Номер Номер и/п связи

Х l P ежим

19 ния

Х2=1

U >О

Х2 Сигнал БС 5

2 26

Х3 Сигнал переполнения СТз 42

Х4 Сигнал БК 13

Х5 Переполнение

СТт 43

X5=1 конец кодирования

Х6 Сигнал РПП 14

Уl Нач. уст. PC 12

У2 Нач. уст. РПП 14

УЗ Коммутация АК 2

Х6=1 конец самоповерки

Уl =1

RG: =-О

У2=1

РПП:=О

УЗ=! коммутация А„ заряд С 8 от ИОН 6

У4 Коммутация КЭ 7

У4=1

У5 Коммутация БКЭ 11

У5=1

С 10 перезаряд С 8 и

У6 Нач, уст. СТт 43

У7 Коммутация АК 2

У8 Нач. уст, СТ> 42

У9 Сдвиг в PC 12

У10 Счет СТт 43

У6=1

СТт". =О

У7=1

13 21 коммутация А =0 эт

СТ =О

RG:=L1RG

У8=1

У9=1

15 28!

У1 0=1 — СТт: =СТт+1

6 33

7 27

8 31

9 20

10 24

11 25

Xl=l - режим преобразоваX3=1 — анализ вых . сигнала

HK 13

Х4=1 — расстройка преобразователя

11

1277396

18 22

l 9 23

20 32

У11 Счет СТ 42

У12 Разряд С 10 на

С 3

У13 Разряд С 10 на

С 3

У14 . Сдвиг РПП 14

Продолжение таблицы

У!1-l — СТ :=СТ +1

712=1 11 +1.1

yl 3=1 — U;-U ;

У14=1 — РПП: =Ь1РПП

l 7?396

1277396

Составитель В.Першиков

Редактор М.Петрова Техред lI.Îëåéíèê Корректор: В.Бутяга

Заказ 6760/57 Тираж 816 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфичеокое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4