Устройство аналого-цифрового преобразования

 

Изобретение относится к преобразованию информации и может найти применение в информационно-измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины и т.д. С целью повышения точности преобразования в устройство аналого-цифрового преобразования , содержащий первый 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи, вычитатель 5, усилитель разностного сигнала 6, цифровой сумматор 8, генератор тактовых импульсов 12, элемент задержки 13, цифроаналоговый преобразователь 3, вводятся второй цифроаналоговый преобразователь 4, счетчик 10, элемент И 11, цифровой умножитель 7, второй элемент задержки 14 и генератор начальной установки 9. Существенным отличием предлагаемого устройства является наличие возмояСности автоматической , не требующей предварительной оценки динамических характеристик входных сигналов,адаптации его параметров к динамическим характеристикам входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. (Л % Сп оэ ю О Oi CD

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц Н 03 M 1/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . д к авторскому свидатвльствм

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Г10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4060596/24-24 (22) 19.03.86 (46) 23.07.87. Бюл. Ф 27 (7 1) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) A.Õ.Móðñàåâ и О.В.Шишов (53) 681.325(088.8) (56) Бахтиаров Г.Д. и др. Аналогоцифровые преобразователи, 1980, с. 202204, рис. 7, 27, б.

Вопросы радиоэлектроники. Сер.

"Электронная вычислительная техника", 1981, вып. li, с. 125. (54) УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (57) Изобретение относится к преобразованию информации и может найти применение в информационно-измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычисли„„SU 1325697 А 1 тельные машины и т.д. С целью повышения точности преобразования в устройство аналого-цифрового преобразования, содержащий первый 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи, вычитатель 5, усилитель разнастного сигнала 6, цифровой сумматор 8, генератор тактовых импульсов 12, элемент задержки 13, цифроаналоговый преобразователь Э, вводятся второй цифроаналоговый преобразователь 4, счетчик l0, элемеHT И 1l цифровой умножитель 7, второй элемент задержки 14 и генератор начальной установки 9. Существенным отличием предлагаемого устройства является наличие возможности автоматической, не требунлцей предварительной оценки динамических характеристик входных сигналов, адаптации его параметров к динамическим характеристикам вхОДНОГО сиГнала 1 9 пе ф лы 1 ил

1325697

Изобретение относится к области преобразования информации и может найти применение в информационно-измерительных системах1 устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины и т.д.

Цель изобретения — повышение точности.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство аналого-цифрового преобразования содержит первый 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 1 первый 3 и второй 4 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), вычитатель 5, усилитель 6 разностнаго сигнала, цифровой умножитель 7, циф ровой сумматор 81 генератор 9 начальной установки, счетчик 10, элемент И

11, генератор 12 тактовых иМпульсов 1 первый 13 и второ" 14 элементы задержки, причем усилитель б разностного сигнала содержит также токоограничивающий элемент (резистор) 15 и операционный усилитель 16,, Устройство работает следующим образом.

После включения напряжения питания на вьгходе генератора 9 начальной угтановки формируется импульс, поступающий на вход записи счетчика 10, по которому на выходы счетчика записыI вается Kop N нач r BxopoB данных счетчика, который определяется соответствующим.порядком соединения входов данных счетчика с шинами напряжения, уровни которых соответствуют уровням логических "0" и "1".

Код N „„с выходов счетчика 10 поступает на входы второго ЦАП 4 и вторую группу входов цифрового умножителя 7.

Каждое преобразование входного напряжения U (t) в выходной код К ц„

В инициируется импульсом генератора 2 тактовых импульсов.

Входное напряжение Uz„(t) поступает на вход первого АЦП 1, который преобразует его в пвоичный код. В момент времени t„ при поступлении на тактовый вход первого AIgI 1 импульса с генератора тактовых импульсов на выходах первого АЦП 1 фиксируется код

Ы соответствующий значению входно1 го напряжения U „(t ) в этот момент времени". "ь„(t ) >a (t„)) Кмр. 1

N

HOKC

Напряжение Ч„ поступает с выхода усилителя 6 разностного сигнала на вход второго АЦП 2, который преобразует его в код N, фиксируемый на выходах второго АЦП 2 при поступлении на

45 его тактовый вход тактового импульса в момент (t, + Ф „), где. время задержки поступления тактового импульса на второй АЦП 2 относительно времени поступления его на первый АЦП

5Q 1, учитывающее время преобразования

II<Ä (t) первым АЦП 1, время переходных процессов в первом ЦАП 1 и операционном усилителе !6, которое определяется первым элементом 13 задержки.

Если напряжение Б в момент с (t„+ 1 „. ) не превосходит значений допустимого диапазона входного напряжения второго АЦП 2, код N определяется следующим образом: где К„, и, — крутизна характеристики первого АЦП 1;

bК„ — погрешность квантования первого АЦП.

Код N„ ïîñòóïàåò на первый ЦАП 3, который формирует точный аналоговый эквивалент Uö„ грубого цифрового приближения N, входного напряжения

1О Ц,„« ):

П u,а (N< u,l» гце К„„— крутизна характеристики первого ЦАП 3.

Промежуточный аналоговый сигнал вычитается в вычитателе 5 из имя входного напряжения U „(t). На выходе вычитателя при К„„„= 1/К „„, образуется разностное напряженйе ЬК (t <)1 которое усиливается усилителем 6 раз2О ностного сигнала, Напряжение на выходе усилителя разностного сигнала равно и„=(u» (t,> — и,,!r,Ä, причем К вЂ” коэффициент усиления уси25 лителя 6 разностного сигнала, определяющийся следующим образом:

I l

K, — > "/Кц.., 1 где К „ — коэффициент характеристики второго ЦАП 4, имеющий

3Q размерность проводимости, R †- величина сопротивления во входной цепи усилителя разностного сигнала;

N — числовой эквивалент кода, 35 подаваемого на цифровые входы второго ЦАП, — максимальный числовой эк/ вивалент кода N

3 13256

Я вЂ” (U (t < +,„д< ) + А.А (1, + Ф,с<А, )1 х х КА.ЛЗЭ где U„(t< + <, +< ) — выходное напряжение усилителя разностного сигнала в момент поступления тактового импульса на тактовый вход второго АЦП 2;

K — крутизна характеристики втоАц,п 2 рого АЦП 2; 0

А К вЂ” погрешность квантования вто2 рого АЦП 2.

Если напряжение П в момент чс

{t + 1, ) больше значений допусти< мого диапазона входного напряжения t5 второго АЦП, то

2 мс«<с >

rye Nã — код, числовой эквивалент

2мскс которого равен максимальному целому числу, кото- 20 рое можно представить выходным кодом второго

АЦП 2.

При этом код N2 определяется с динамической погрешностью, равной 25

Однако за время между моментами фиксации кодов N<,и N, т.е. за время между моментами времени t, и (t, + с<д< ), выходное напряжение

Uä (} может измениться на величину

Ь (1< +,, ), поэтому вторым АЦП

2 преобразуется в код не только усиленное значение ь К, (t ), но и ь g(t< +

+ 9 „„„ ), при этом выходное напряжение усилителя 6 разностного сигнала может превысить значения допустимого диапазона входного напряжения второго

АЦП 2 и код N равен N „ . Выходной код устройства в этом случае равен

35

/ щк К < < + 1« г ма.кс и определяется с динамической погрешностью b.

Если в каком-либо цикле преобразо-. вания выходное напряжение усилителя .Ь разностного сигнала превышает напряжение, соответствующее максимальному коду второго АЦП 2 N2 „, и если измеряемыи процесс, представляемый входным напрякением П „ (t) стациона-. рен, то в будущем могут наблюдаться аналогичные изменения входного напряжения между моментами фиксации кодов

N u N на выходах АЦП, Для уменьшения

< 2 динамической погрешности последующих отсчетов входного напряжения при возникновении подобных ситуаций необходимо уменьшить коэффициент усиления усил ителя р аз иост но го сиги ала, а .с тем чтобы при этом функциональная харак- ь= < * — и

2 2 макс где N* — идеальное значение кода N

2 2 < соответс твующего величине выходного напряжения усилителя разностного сигнала.

Код N с выходов второго АЦП 2 по2 ступает на первую группу входов цифрового умножителя 7, на выходах которого образуется код 2 =, > °

Код N поступает на вторую груп2 пу входов цифрового сумматора 8, на первую группу его входов поступает код N<,. на выходах цифрового сумматора 8 образуется выходной код устройства

БВ„К Ы< + Игу где К вЂ” коэффициент передачи цифрово- 4

ro сумматора по входам кода М<.

При использовании идентичных первого и второго АЦП, т.е. при К„„„

KÀ KÀöï H IIpH неизме

Ац г входйом напряжении UzÄ (t) и пренебрежении малыми ошибками первого АЦП и первого ЦАП достаточно, чтобы вес

I старшего разряда кода Б был равен половине веса младшего разряда кода

N . При этом коэффициент усиления усипителя разностного сигнала Б2 цолжен быть равен К = 2, где 8S число разрядов второго АЦП 2, что обе слечивае тся подачей н а цифровые входы второго ЦАП кода

I макс

21 К „,. Д

Такое значение N и устанавливается на входах данных счетчика, т.е.

2 < нач

Установление такого коэффициента усиления усилителя 6 разностного сигнала при неизменном входном напряжении V, (t) обеспечивает равенство

Ьх значения максимального выходного напряжения усилителя 6 разностного сигнала и максимального значения допустимого входного напряжения второго

АЦП 2 и минимизацию статистических . погрешностей преобразования, а при выполнении условий подавляется и динамическая йогрешность, при этом

1325697 теристика преобразователя не изменилась — аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя по входу кода N

Это осуществляется следующим образом.

В момент времени („ + „, +

+ ), где 3 — длительность задержки поступления тактового импульса на второй вход элемента И 11 1О относительно момента его поступления на тактовый вход второго АЦП 2, формируемая вторым элементом 14 задержки и определяемая временем преобразования второго АЦП 2, переходных процес- 15 сов в цифровом умножителе и цифровом сумматоре, на второй вход элемента И

11 поступает тактовый импульс. Если выходное напряжение усилителя 6 разностного сигнала находится в пределах 20 допустимого- диапазона входных напряжений второго АЦП 2, то на выходе переполнения второго АЦП 2 присутствует логический ноль, запрещающий прохож+ -Za@4 +

25 тактового импульса с второго элемента

14 задержки через элемент И 11,на счетный вход счетчика 10, и установI ленное ранее значение кода N на. выходах счетчика сохраняется.

При превышении выходным напряжением усилителя б разностного сигнала значений допустимого диапазона входных напряжений второго АЦП на выходе переполнения второго АЦП 2 присутс.т- 35 вует логическая единица, которая разрешает прохожцение в момент (t, +

+ 7,„„, + „„, ) TBK 0BO

10, при этом содержимое счетчика 10 увеличивается на единицу, что определяет уменьшение коэффициента усиления усилителя 6 разностного сигнала и увеличение коэффициента передачи 45 цифрового умножителя 7 по входу кода 11е

Иаксимальное значение динамической погрешности всех последующих циклон преобразования для аналогичных изме- 50 нений входного напряжения Бь (t) меж-! ду моментами фиксации кодов Х и Ы на выходах АЦП таким образом уменьшается.

55 ., Увеличение кода N происходит и в последующих циклах преобразования при каждом превышении выходным напряжением усилителя разностного сигнала значений допустимого диапазона входных напряжений. второго АЦП. Статическая погрешность преобразования при этом увеличивается, но максимальная полная погрешность преобразования умен ьшае тся.

Через некоторое время после начала измерений устанавливается оптимальное для данного входного сигнала значение коэффициента усиления усилителя разностного сигнала, исключающее динамическую погрешность всех дальнейших измерений.

Динамические искажения входного сигнала в усилителе разностного сигнала не компенсируются, но при применении современных быстродействующих операционных усилителей они пренебрежительно малы„

Таким образом, преимуществом предлагаемого устройства перед известными является возможность автоматического выбора оптимального для конкретного образца устройства и конкретного вида входного сигнала соотношения статической и динамической погрешности, т.е. повышение точности преобразования.

Формула изобретения

Устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее первый и второй аналого-цифровые преобразователи, информационный вход первого из которых является входной шиной и объединен с первым входом вычитателя,, второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выходу первого аналого-цифрового преобразователя, а выход вычитателя соединен с информационным входом усилителя разностного сигнала, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового,преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, тактовый вход первого аналого-цифроного преобразователя подключен к выходу генератора тактовых импульсовнепосредственно, а тактовый вход второго аналого-цифрового преобразователя — через первый элемент задержки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены генератор начальной установки, счетчик, элемент И, цифровой умножитель, второй элемент

1325697

Составитель В.Махнанов

Техред М.Ходанич

Редактор И.Николайчук

Корректор В. Бутяга

Заказ 3557

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. Проектная, 4 задержки, через который первый вход элемента И соединен с выходом первого элемента задержки, второй вход элемента И соединен с выходом переполне5 ния второго аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первой группой входов цифрового умножителя соответственно, вторая группа входов которого объединена с управ-1О ляющими входами усилителя разностного сигнала и подключена к соответствующим выходам счетчика, вход записи которого подключен к выходу генератора начальной установки, входы данных яв- 1 ляются шиной кода начальной установки, счетный вход соединен с выходом элемента И, а выход цифрового умножителя подключен к второму входу цифрового сумматора.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что усилитель раэностного сигнала выполнен на операционном усилителе, цифроаналоговом пре— образователе и токоограничивающем элементе, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод является информационным входом усилителя, а неинвертирующий вход подключен к общей шине, аналоговый вход и выход цифроаналогового преобразователя соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, цифровые входы являются управляющими входами усилителя, а выход операционного усилителя является выходом усилителя.