Цифроаналоговый преобразователь и способ его настройки

 

Изобретение относится к области .автоматики и импульсной технике и может быть использовано в цифровых измерительных системах для преобразования цифровых величин в аналоговые. Цель изобретения - повышение точности цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и повьппение точности его настройки. Повышение точности достигается за счет введения в ЦАП вторых коммута - ционньш резисторов 9, группы 13 ключейj двух дополнительных ключей 17, 18, дополнительного резистора 14 связи, второго согласующего резистора 16, j второго преобразователя тока в напряжение , выполнения элементов 10 коммутации на ключах 11 и 12, обеспечения при настройке компенсации проходных сопротивлений соответствующих ключей 13 и 11 в рабочем режиме и осуществления контроля за правильностью процесса настройки. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. (Л со isd

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (дд 4 Н 03 М 1/66, 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3873710/24-24 (22) 27.03.85 (46) 15.07.87. Бюл. М 26 (71) Харьковский автомобильно-дорожный институт им. Комсомола Украины (72) А.Ф. Сушко, Я.М. Кононенко, А.А. Акимов и В.А. Логинов (53) 681.325(088.8) (56) Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М.: Энергия, 1975, с.280, рис.7-2.

Сушко А.Ф..и др. Машинный метод функциональной настройки прецизионных делителей напряжения R-2R. Измерительная техника, 1980, У 4, с.37-38.

„„SU„„1324114 А1 (54) ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ (57) Изобретение относится к области автоматики и импульсной технике и может быть использовано в цифровых измерительных системах для преобразования цифровых величин в аналоговые.

Цель изобретения — повьппение точности цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и повьпнение точности его настройки.

Повышение точности достигается за счет введения в ЦАП вторых коммутационных резисторов 9, группы 13 ключей, двух дополнительных ключей 17, 18, дополнительного резистора 14 связи, второго согласующего резистора 16, второго преобразователя тока в напряжение, выполнения элементов 10 коммутации на ключах 11 и 12, обеспечения при настройке компенсации проходных сопротивлений соответствующих ключей

13 и 11 в рабочем режиме и осуществления контроля за правильностью процесса настройки. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. фф

1324114

Изобретение относится к области автоматики и импульсной техники и может быть использовано в цифровых измерительных системах.

Цель изобретения — повышение точности преобразования и повышение точности настройки цифроаналогового преобразователя.

На фиг.1 приведена функциональная )p схема цифроаналогового преобразователя; на фиг.2 — схема устройства, предназначенного для реапизации предлагаемого способа настройки.

Цифроаналоговый преобразователь 1б (фиг ° 1) содержит аналоговый вход 1, выходную шину 2, дополнительную выходную шину 3, шину 4 нулевого потенциала, первый 5 и второй 6 преобразователи тока в напряжение, резисторы

7.1-7.п-1 связи, первые 8.1-8.п и вторые 9.1-9.п коммутационные резисторы 2R, элементы 10.1 — 10.п коммутации, выполненные на первых 11.1-11.п и вторых 12.1 — 12.п ключах, группу 25 ключей 13.1-13.п, дополнительный резистор 0,2 R связи 14, первый 15 и второй 16 согласующие резисторы 2R, первый 17 и второй 18 дополнительные ключи, первую 19.1 — 19.п вторую 20.1 в ЗО

20.п, третью 21.1-21„n группы цифровых входов., первый 22 и второй 23 управляющие входы.

Устройство, реализующее предлагаемый способ настройки (фиг.2), содержит настраиваемый 24 и вспомогательный 25 цифроаналоговые преобразователи, генератор 26 одиночных импульсов, блок 27 управления ключами, источник

28 тока, переключатель 29, сдвоенный gp переключатель 30, цифровой измерительный прибор 31, блок 32 согласования, электронную вычислительную машину 33 (ЭВМ), блок 34 печати.

Цифроаналоговый преобразователь ра-4g ботает следующим образом.

В рабочем режиме вторые ключи 12.1—

12.п в элементах 10.1 — 10.п разомкнуты, второй дополнительный ключ 18 замкнут,gp первый дополнительный ключ 17 разом-. кнут, на первые цифровые входы 19.1-.

19.п подается преобразуемый код, на третьи цифровые входы 21.1-21.n — код инверсный преобразуемому, на аналоговый вход 1 — эталонный ток или напряжение, при этом на выходной шине 2 формируется напряжение, пропорциональное преобразуемому коду.

Способ настройки цифроаналогового преобразователя заключается в следующем.

Вначале производят выравнивание величин сопротивлений всех коммутируемых ветвей в настраиваемом 24 и вспомогательном 25 цифроаналоговых преобразователях, причем выравнивание величин сопротивлений вспомогательного цифроаналогового преобразователя осуществляют только один раз при введении его в схему настройки, в дальнейшем выравниваются величины сопротивлений коммутируемых ветвей только у настраиваемых цифроаналоговых преобразователей. На аналоговый вход настраиваемого 24 и аналогичного вспомогательного 25 цифроаналоговых преобразователей подают стабильный ток от генератора 28 тока. Переключатели

29 и 30 устанавливают в положение, обеспечивающее подключение выходных шин 2 и 3 настраиваемого цифроаналогового преобразователя 24 соответственно к входам "-" и "+" цифрового измерительного прибора 31., которым измеряют дополнительный сигнал разбаланса. По импульсу с генератора 26 блок 27 включает ключи 11.1 и 13.1.

Изменяя величину сопротивлений коммутационных резисторов 9.1 или 8.1, добиваются нулевого показания цифрового измерительного прибора 31. По следующему импульсу генератора 26 блок 27 размыкает ключи 11.1 и 13.1, замыкает ключи 11.2 и 13.2 и ключ

12.1, который остается замкнутым на всех последующих этапах выравнивания величин сопротивлений коммутируемых ветвей.

На i-м этапе выравнивания величин сопротивлений коммутируемых ветвей замкнуты ключи 11.j. и 13.i и ключи

12.1-12.i-1. После выравнивания величин сопротивлений всех коммутируемых ветвей по импульсу генератора 26 замыкаются дополнительные ключи 17 и

18 и ключи 12. 1- 12.пи выравниваются сопротивления ветвей согласующих резисторов 15 и 16. Аналогичным образом при смене положения сдвоенного переключателя 30 выравниваются величины сопротивлений коммутируемых ветвей и ветвей согласующих резисторов вспомогательного цифроаналогового преобразователя 25. Дальнейшая настройка цифроаналогового преобразователя 24 производится при положении пе1324114 реключателей 29 и 30, обеспечивающем подключение выходной шины 2 ЦАП 24 к входу - цифрового измерительного прибора 31, а выходной шины 2 ЦАП 25 к входу +" цифрового измерительного прибора 31, которым будет измеряться основной сигнал разбаланса. В 3ВМ 33 предварительно введены данные для расчета элементов матрицы чувстви- )p тельности $ 0 T.) резисторов связи . ) матрицы резисторов ЦАП, который проводится по формулам:

ВЭ+ 3- 2- . 2 (2 - ) + 2Ц1 )1) (1)

))

g = 3 2 2 (2 +1), (2)

1)

6г =-3 2 (1-2 ), (3)

) Ф где 9;; — наддиагональные члены мат1 риць); о — диагональные члены матрицы;

В1 - — поддиагональные члены мат1) рицы; — номер строки матрицы; — номер столбца матрицы.

25 вХ вт

В1

У

2))

О

))1 п2 ))и

30 где 6 — чувствительность резистора

1l связи 1-го разряда на первом коде, 8 — чувствительность резистора

12 связи 2-Го разряда на первом 35 коде;

6 — чувствительность резистора

1h связи и-го разряда на первом коде;

Е„ — чувствительность резистора

Т связи 1-го разряда на втором коде;

6 „- чувствительность резистора связи 1-ro разряда íà и-м коде. 45

Размерность элемента матрицы d x

67 = мВ/Ом.

»)

Кроме того, в ЭВМ 33 введен алгоритм вычисления исходных данных для подгонки резисторов связи, состоящий из следующих этапов: разделение погрешностей вычисление матрицы чувствительности резисторов связи, усеченной матрицы и диагональной матрицы вычисление контрольного и установочного напряжений основного сигнала разбаланса.

Измеряют основной сигнал разбаланса, соответствующий разности выходных напряжений настраиваемого 24 и вспомогательного 25 ЦАП в рабочем режиме при подаче на их входы с помощью блока 27 соответствующих единичных кодов.

Получают ряд величин : дБ с)) (1), ДБ, (2), Б; (n), где д U (К) — dU„(K) — DUg, (K), К = 1,2,...,п, аБ„(к) — абсолютная погрешность К-ro разряда настраиваемого ЦАП, ЛП))(K) абсолютная погрешность К-ro разряда вспомогательного ЦАП. Затем измеряют основной сигнал разбаланса при подаче на входы ЦАП 25 кодов, инверсных соответствующим единичным, а на входы

ЦАП 24 кодов равных им по весу. Получают ряд величин аП .(1), ))V <(2), ЛБ (K),где дП . (К) = U„(K) -ЛБ))(K), К =1,2,...n. На основании полученных результатов измерений на основании соотношений:

К-1

0 5 gU<(K) — aU„(i) +

1-1 к0,5 ((dtl>1K) — .». aU„(»)) получают в результате расчета и разделения два ряда погрешностей: один для настраиваемого преобразователя

24, а другой — для вспомогательного преобразователя 25, — после чего ЭВМ

33 автоматически переходит к расчету контрольного и установочного напряжений для каждого этапа настройки.

Для этого по формулам (1)-(3) вычисляют элементы матрицы чувствительности резисторов связи(6 "j. Затем вычисляют усеченную матрицу 1 ); ), которую формируют из матрицы (6 ), приравнивая к нулю ее поддиагональную часть, а также диагональную матрицу (6;) ), а . ) которую формируют из матрицы (6? ) приравнивая к нулю ее наддиагонйьную и поддиагональную части. После этого по формуле (4) вычисляют адекватный вектор искажений

4R где для n=13

dU1

402, I,= =const, вносится в матрицу.

DUD

Записывают выражение в полном виде

1324114

Е",„Вт. 91 в e ...вт

21 22 213 ь г"„ ьг1

2 (5)

4Пн=

Т х т ... т

М11 4 И 4 1э"- 9,1э а т

22 ) 2э" 213

) у

<) р " < э э

", I

", )

1, Ч,К вЂ” — — — — fэв

4 г1

4г1

4гУ э UNz

4U = (В )-qR, (7) 45

В„, 0

", ва

4r7

4П

2 х

50 йП 9 д .„8 дг"

1 «ЭЛ". 13 <Ъ 1э

4П 9 4га+ 6 к" +...+ Ва ьга

1 м 1 12 2 11ь 1) 10

402 = О ьт 1+ Вьюг + ...+9 4 r))

21 1 22 2 213 1ь

4П = 6 Ьг +9 ьг + ...+О ьг

1ъ 1 )>2 Х 1313 11

Решают систему линейных уравнений, применяя, например, метод Гаусса, и находят истинное значение ее решений, т.е. значения компонент адекват ного вектора (d r„), dr<...4) r f ) . Находят по усеченной матрице (g"")нейт)1 рализующий вектор отклонений 4<)н

Определяют компоненты вектора dUt), 35 после чего вычисляют установочный (итерационный) вектор отклонений 4U> (вектор настроек на каждом коде):

ЬО„= 4U —. 2)б„ (6)

Рассчитывают диагональный вектор отклонений 4П, . и определяют контрольный (базовый)

DU), вектор отклонений

4Пм =DU 40í +4Ud> 4ПЭ + 40С) (8) Фиксируют результат вычислений с помощью устройства 34 печати в виде таблицы, по которой и производят окончательную настройку цифроаналогового преобразователя 24. Подают с выхода генератора 26 одиночных импульсов на вход блока 27 управления ключами последовательные одиночные сигналы, под воздействием которых последний формирует единичные коды (начиная с младших разрядов), которые поступают на управляющие входы настраиваемого

24 и вспомогательного 25 цифроаналоговых преобразователей. Настройку ведут пошагово, на каждом единичном коде.

При этом на каждом шаге перед тем, как начать настройку, убеждаются в том, что текущее значение напряжения, зафиксированное на данном коде цифровым измерительным прибором 31, равно вычисленному контрольному 4V„(i) на этом же коде. Если напряжение не равно контрольному с точностью до возмоя<ных отклонений, повторяют процесс настройки.

Шаг 1-й. Заносят в настраиваемый преобразователь 24 код 0...001. Фиксируют результат измерения цифровым измерительным прибором 3 1. Сравнивают его с вычисленным контрольным значением напряжения 4U,<„ . Изменяют сопротивление дополнительного резистора 14 связи (например, с помощью лазерной подгонки) до тех пор, пока показания измерительного прибора 31 не будут соответствовать величине Ьц„, Шаг 2-й. Заносят в настраиваемый преобразователь 24 код 0...010. Фиксируют результат измерения цифровым измерительным прибором 31 и сравнива-: ют его с вычисленным контрольным значением напряжения 4Uq 2 . Изменяют сопротивление резистора 7.12 связи до тех пор, пока показания измерительного прибора 31 не будут соответствовать величине

Ч12

Аналогичным образом выполняют настройку на всех последующих шагах (в нашем случае их 13) . Устанавливают на последнем шаге подстройкой резистора 7.1 связи значение напря жения 4 Б„„=О, что свидетельствует о том, что погрешности скомпенсированы и цифроаналоговый преобразователь 24 настроен.

Применение изобретения позволяет повысить точность цифроаналогового

7 13241 преобразования и точность настройки

ЦАП за счет компенсации разности проходных сопротивлений соответствующих ключей в рабочем режиме и осуществле5 ния контроля за правильностью процесса настройки.

Формула изобретения

1. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий матрицу резисторов типа

R=2R, выполненную на первом согласующем резисторе, и 1 последовательно соединенных резисторах связи, где 15

n — число разрядов преобразуемого кода, вывод первого из которых является аналоговым входом цифроаналогового преобразователя; и первых коммутационных резисторах, первые выводы20 и-1 из которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов связи, а первый вывод п-ro коммутационного резистора подключен к второму выводу (n-1)-го резистора связи, 25 вторые выводы п первых коммутационных резисторов подключены к аналоговым входам и соответствующих элементов коммутации, первые управляющие входы которых являются соответствую- 30 щими входами первой -группы цифровых входов цифроаналогового преобразователя, первые выходы объединены и подключены к входу первого преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходной шиной, вторые выходы элементов коммутации .объединены и подключены к шине нулевого потенциала, о .т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ-40 ности преобразования, введены группа из и ключей, первый и второй дополнительные ключи, и вторых коммутаци-. онных резисторов, второй согласующий резистор, дополнительный резистор связи, второй преобразователь тока в напряжение, а каждый элемент коммутации выполнен на первом и втором ключах, аналоговые входы которых объединены и являются аналоговым вхо- 50 дом соответствующего элемента коммутации, выходы первого и второго ключа являются соответствующими выходами соответствующих элементов коммутации, управляющий вход первого ключа является первым управляющим входом соответствующего элемента коммутации, а управляющие входы вторых ключей элементов коммутации являются соот14 ветствующими входами второй группы цифровых входов цифроаналогового преобразователя, при этом выход первого дополнительного ключа подключен к входу первого преобразователя тока в напряжение, управляющий вход первого дополнительного ключа является первым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход подключен к первому выводу первого согласующего резистора, второй вывод которого через дополнительный резистор связи подключен к второМу выводу (n-1)-го резистора связи, а через второй согласующий резистор к аналоговому входу второго дополнительного ключа, управляющий вход которого является вторым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, выход объединен с выходами п ключей группы и подключен к входу второго преобразователя тока в напряжение, выход которого является. дополнительной выходной шиной, при этом управляющие входы п ключей группы являются соответствующими третьими цифровыми входами цифроаналогового преобразователя, аналоговые входы и ключей группы через соответствующие вторые коммутационные резисторы подключены к первым выводам соответствующих первых коммутационных резисторов.

2. Способ настройки цифроаналогового преобразователя, заключающийся в том, что измеряют основной сигнал разбаланса, соответствующий разности выходных напряжений настраиваемого и вспомогательного цифроаналоговых преобразователей, выполненных на мат.— рицах резисторов типа R=2R, в рабочем режиме при подаче на их входы соответствующих единичных кодов, а затем при подаче на вход вспомогательного цифроаналогового преобразователя кодов, инверсных единичному, а на вход настоаиваемого преобразователя кодов, равных им по весу; после чего по результатам измерений определяют расчетным путем значения абсолютных погрешностей для каждого из цифроаналоговых преобразо;вателей, по которым и с поЪ мощью матрицы чувствительности резисторов матрицы типа R=2R определяют соответствующие установочные значения основного сигнала разбаланса и последовательно, начиная с младшего разряда, осуществляют подгонку резисторов! 3241 матрицы настраиваемого цифроаналогового преобразователя путем изменения величин сопротивлений соответствующих резисторов с одновременным контролем

5 основного сигнала разбаланса при подаче единичных кодов на входы настраиваемого и вспомогательных цифроаналоговых преобразователей до достижения им установочных значений, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности настройки, перед измерением основного сигнала разбаланса осуществляют измерение дополнительного сигнала разбаланса, соответствую-15 щего разности напряжений на выходной и дополнительной выходной шинах настраиваемого цифроаналогового .преобразователя, и последовательно, начиная со старшего разряда осуществляют под- 2п гонку величин сопротивлений соответствующих первых и вторых коммутационных резисторов и первых и вторых согласующих резисторов настраиваемого цифроаналогового преобразователя с 25 одновременным контролем дополнительного сигнала разбаланса при подаче соответствующих единичных кодов на входы первой и третьей групп цифровых

14

1О входов настраиваемого цифроаналогового преобразователя и при подаче соответствующего кода числа единиц, на входы второй группы цифровых входов настраиваемого цифроаналогового преобразователя до достижения им нулевого значения, а при расчете соответствующих установочных значений основного сигнала раэбаланса используют в качестве матрицы чувствительности матрицу чувствительности резисторов связи и перед подгонкой резисторов матрицы настраиваемого цифроаналогового преобразователя по значениям установочных значений основного сигнала раэбаланса определяют его контрольные значения, а подгонку резисторов матрицы настраиваемого цифроаналогового преобразователя осуществляют изменением резисторов связи, причем при переходе к подгонке резисторов связи очередного разряда осуществляют сравнение значения основного сигнала раэбаланса с соответствующим контрольным и по результату сравнения судят о правильности настройки цифроаналогового преобразователя.

1324114 Риа2

Составитель В. Першиков

Техред М.Моргентал Корректор М. Шароши

Редактор Л. Веселовская

Заказ 3818 Тираж 901

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

- по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проек оектная 4