Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой код с коррекцией результата

 

.Изобретение позволяет повысить точность преобразователей с логарифмической шкалой измерения, а также уменьшить время калибровки. Повыше-, ние точности достигнуто исключением источника высокоточных и стабильных мер и введением точного соотношения двух неточных мер, а повьшгение быстродействия - за счет изменения порядка операций. При калибровке преобразователя типа экспоненциального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2 с линейным усилителем 1 на входе первоначально калибруют АЦП путем поочередной подачи на его вход двух неточных напряжений от обычного синусоидального генератора через точный и стабильный делитель 5 напряжений . С их помощью находят первый коэффициент поправки, позволяющий восстановить идеальную характеристику АЦП. С помощью откапиброванного АЦП теми же калибровочными сигналами калибруют линейный усилитель 1 и определяют второй коэффициент поправки для приведения показаний преобразователя к истинным при номинальном . коэффициенте передачи. Только после этого подают на вход преобразователя входной сигнал. Результат его измерения либо корректируют на величину запомненных коэффициентов поправки в вычислителе, либо прекращают измерения при отклонении передаточных характеристик АЦП и усилителя от пре-- дельных граничных условий. В устройстве вместо источника высокочастотных и высокостабильных мер применен обычный НС-генератор, а между линей-- ным усилителем I и АЦП 2 введен второй коммутатор 9 сигиалов. 3 ил. с $ (Л 0:) -vi Ьп.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А") (19) (11) (51)4Н 03М 1 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

C ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3922327/24-24 (22) 04.07.85 (46) 15.01.88.Бюл. )(2 (72) А.Д,Зорьев (53) 681.325 (088.8) (56) Алиев Г.M.и др. Автоматическая коррекция погрешностей цифровых измерительных приборов. M.: Энергия, 1975, с.2-16, 20-27, рис.1.14.

l (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВОЙ КОД С КОРРЕКЦИЕЙ РЕЗУЛЬТАТА (57),Изобретение позволяет повысить точность преобразователей с логарифмической шкалой измерения, а также уменьшить время калибровки. Повьппе-. ние точности достигнуто исключением источника высокоточных и стабильных мер и введением точного соотношения двух неточных мер, а повьппение быстродействия - за счет изменения поряд» ка операций. При калибровке преобразователя типа экспоненциального аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

2 с линейным усилителем 1 на входе первоначально калибруют АЦП путем поочередной подачи на его вход двух неточных напряжений от обычного синусоидального генератора через точный и стабильный делитель 5 напря жений. С их помощью находят первый коэффициент поправки, позволяющий восстановить идеальную характеристиКу АЦП. С помощью откалиброванного

АЦП теми же калибровочными сигнала» ми калибруют линейный усилитель 1 и определяют второй коэффициент поправки для приведения показаний преобразователя к истинным при номинальном коэффициенте передачи. Только после этого подают на вход преобразователя входной сигнал. Результат его измерения либо корректируют на величину запомненных коэффициентов поправки в вычислителе, либо прекращают измерения при отклонении передаточных характеристик АЦП и усилителя от пре= дельных граничных условий. В устройстве вместо источника высокочастотных и высокостабильных мер применен обычный RC-генератор, а между линей=ным усилителем 1 и АЦП 2 введен второй коммутатор 9 сигналов. 3 ил.

1367154

Калибровка измерительного преобразователя производится с помощью калибровочных сигналов. Однако перво начально калибруется экспоненциальный АЦП с помощью вспомогательных калибровочных сигналов и определяется корректирующий первый коэффициент поправки К, по значениям, записанным в память вычислителя и полученным по результатам калибровки, с помощью и;л — и выражения К Затем с по< л л пх п3 мощью тех же калибровочных сигналов калибруют линейный усилитель с АЦП и определяют второй коэффициент поправки и на показания усилителя, определяемый по формулам л л и„- и +

З.пК 2 К 2;

11 /11х л v пх па

1nK — — — - - 1nU /U» л л и„- пу (2) Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения аналоговых сигналов, например напряжений в цифровой форме, и может быть применено в электро- и радиосвязи в измерителях с устройствами коррекции и калибровки.

Цель изобретения — повышение точности и быстродействия.

На фиг.1 представлены передаточные характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на фиг. 2— передаточные характеристики линейного усилителя и АЦП; на фиг. 3 - устройство для осуществления предлагаемого способа калибровки и коррекции.

Устройство (фиг.3) содержит собственно преобразователь, состоящий из линейного усилителя 1 и экспоненциально АЦП 2, первый коммутатор 3 сигналов и генератор 4 калибровочных сигналов с точным делителем 5 напряжений, а также вычислитель 6 с блоком 7 памяти и цифровым индикатором

8 на выходе. В устройстве между выходом линейного усилителя 1 и входом экспоненциального АЦП введен второй коммутатор 9 сигналов.

Преобразованию и последующей коррекции результата преобразования подверrается преобразователь типа экспоненциального АЦП с линейным усилителем на входе.

10

1

ЗБ

Таким образом, калибровка измерительного преобразователя всегда предшествует измерениям на реальном сиг- . нале.

После калибровки производят измерение на рабочем сигнале и показания измерительного преобразователя корректируют с учетом коэффициентов поправки К, и по формуле. и; = К,(й; + ).

В предлагаемом способе в качестве калибровочных сигналов используют неточные и нестабильные синусоидальные напряжения вместо высокоточных и высокостабильных сигналов в блоке образцовых мер способа-прототипа. С помощью необразцовых мер без вспомогательных образцовых приборов определяется передаточная характеристика (зависимость выходного сигнала от входного) измерителя, по которой затем корректируются и приводятся к номинальным его показаниямм.

Кусочно-линейная аппроксимация кривой заменяется самой кривой, что позволяет повысить точность измерений.

Выбор калибровочных сигналов не зависит от измерительной величины, поэтому в предлагаемом способе ка-, либровка может быть проведена до измерений на реальном сигнале не только во время измерений. Следователь-. но, повышается быстродействие, так как калибровка проводится до измерений, кроме того, независимость операций калибровки и измерений расширяет функциональные возможности предлагаемого способа.

Калибровка измерительного преобразователя по частям (сначала АЦП, затем - линейный усилитель с АЦП) позволяет использовать АЦП для калибровки усилителя, исключив как вспомогательные образцовые измерители, так и образцовые измерительные меры. Это сокращает объем вспомогательного оборудования, упрощает измерения, повышает их точность.

Способ калибровки и коррекции АЦП поясняется на фиг.1, где в координатах 11 — приведены его характеристики: а - номинальная кривая, б,вкривые при мультипликативных погреш» ностях, г - кривая при аддитивной погрешности, д,е - кривая при ад

13671 дитивных и мультипликативных погрешностях.

Калибровка экспоненциального АЦП в предлагаемом способе использует следующее свойство экспоненты. При

U /Uz = const (фиг.1)

«

n -nL =c,;

Мn«K

« п„= К,п .

Таким образом, калибровка экспоненциального АЦП производится двумя калиб. ровочными напряжениями при коэффициенте усиления линейного усилителя Кл=1, а пересчет полученных отсчетов в номи нальные производится умножением на множитель К,.

Калибровка всего измерительного преобразователя производится с помощью экспоненциального АЦП теми же .калибровочными напряжениями U„ H

U), Если у линейного усилителя коэффи- 25 циент усиления равен К, а при калибровке .АЦП при К = 1 показания АЦП при подаче на его вход сигналов U„ л л и U были n„и п то при подаче тех же сигналов через линейный усили- 30

v v тель получим отсчеты на АЦП п„и n : соответственно.

Если отсутствует смещение нуля у линейного усилителя, то его коррек» 35 цию при наличии мультипликативной погрешности можно осуществить с помощью алгебраической добавки.

На фиг.2 схематически показана коррекция измерительного преобразо- 40 вателя по результатам калибровки.

По последовательности цифр 1-7 можно проследить путь .коррекции: входной величине сигнала, равной U; на выходе преобразователя соответствует 45

v неоткорректированный код и (путь

1

1-2-3); затем код п; приводится к номинальному коэффициенту усиления

« ч«v

К линейного усилителя п ° = n; +

+ Ь (путь 3-4-5); переход на но- 50 минальную характеристику АЦП осуществляется с помощью коэффициента ч» п, = К,п; (путь 5-6-7).

Устройство (фиг.3) работает следующим образом, 55

На сигнальные входы первого коммутатора 3 сигналов поступают измеряемый сигнал U а также два калибровочных сигнала U „и U .

54

Калибровочные сигналы U„ U< представляют собой синусоидальные напряжения, получаемые от одного и того же генератора 4 калибровочных сигналов с помощью точного делителя напряжений. Генератор 4 представляет собой одночастотный RC-генератор а делитель 5 напряжений может быть выполнен, например, на эмиттерном повторителе и прецизионных резисторах. К генератору с делителем предъявляется следующее требование: отношение калибровочных напряжений должйо быть постоянным U /U»

const и выбирается в зависимости от диапазона измеряемой величины

АЦП.

На сигнальные входы второго коммутатора 9 сигналов поступают усиленный входной сигнал U, с выхода линейного усилителя и два калибровочных сигнала U è U .

Оба коммутатора управляются с помощью вычислителя.

Первоначально запрещается прохождение всех сигналов через первый ком» мутатор и разрешается через второй.

При этом производится калибровка экспоненциального АЦП 2.

Поочередно вычислитель дает разре шение на прохождение сигналов калибровки Uz u U> от генератора 4 через делитель 5, второй коммутатор 9 сигналов на вход АЦП, показания которого считываются и запоминаются в блоке

7 памяти вычислителя 6. По этим данным вычисляется первый коэффициент поправки К АЦП.

После калибровки АЦП с помощью последнего производится калибровка всего преобразователя, для чего поочередно разрешается прохождение калибровочных сигналов U„ U через первый коммутатор 3 сигналов, линейный усилитель 1, второй коммутатор 9 сигналов, АЦП 2, вычислитель 6, блок 7 памяти.. По двум отсчетам калибровки определяется второй коэффициент поправки а

После калибровки измеритсльноге преобразователя вычислитель разрешает прохождение входного сигнала U; через оба коммутатора, линейный усилитель и АЦП и запрещает прохождение калибровочных сигналов. Измеренный сигнал запоминается в блоке 7 памяти вычислителя, который затем по результатам калибровки производит коррек4

6 необходимость в проверке и аттестации источника опорного сигнала.

Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой,код с коррекцией результата, заключающийся в преобразовании входного сигнала в пропорциональный входной код с последующим запоминанием его, формировании калибровочных сигналов, преобра зовании их в код с последующим запоминанием калибровочных кодов, определении коэффициентов поправки входного кода и коррекции с их учетом входного кода, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше ния точности и быстродействия, формирование калибровочных сигналов, преобразование их в код с запоминанием калибровочного кода и определение первого коэффициента поправки входного кода осуществляют до преобразования входного .сигнала, после чего усиливают калибровочные сигналы, преобразуют вход и после sanoминания калибровочных кодов усиленных калибровочных сигналов, определяют второй коэффициент поправки, а коррекцию входного кода осуществляют по формуле п; =к<(й; +6 ), n " "- откорректированный входной код;

К< — первый коэффициент поправкиj

- второй коэффициент поправки;

n — BxopHofI Kop причем первый коэффициент поправки вычисляют по формуле

n„- и

K1. л л

n„» п,1

50 где и„= <(Ui ) и и<< = Г(Б ) - калибровочные коды, пропорциональные первому U è второму Ug калибровочным напряжениям соответственноо;

А << % A <<.

55 п = ср(0 ) и = q (U ) - калиб<< ровочные коды, соответствующие номннальнйм калибровочным напряжениям

U è U, при этом U<1/U U< /U

Кроме того, отсутствие высокоточного и стабильного источника опорного сигнала в значительной мере удешевляет процесс измерений и калибровки, так как его стоимость составляет значительную часть от общей стоимости устройства; отпадает также

5 136715 цию измеренной величины напряжения, введя алгебраическую добавку Ь, и корректирующий множитель. Откорректированная величина напряжения выво- Ф о р м у л а и s о б р е т е н и я дится на цифровой индикатор.

Данный способ позволяет повысить точность измерения уровня (напряжений), а также увеличить быстродействие. Повьппение точности достигается исключением высокостабильного и точного источника опорного сигнала с его погрешностями, коррекцией реальной передаточной характеристики измерительного преобразователя и устране- 15 нием погрешностей кусочно-линейной аппроксимации, а повышение быстродействия - независимостью операций калибровки и коррекции. Повьппение точности позволяет получить значительный экономический эффект, так как снижается вероятность ошибочного результата измерений и ложных брако. ° вок, например каналов связи, уменьшается время простоев каналов, что эквивалентно увеличению числа каналокилометров.

Независимость операций калибровки и коррекции и повышение быстродействия измерений (примерно втрое)

30 особенно важно в системах, работающих в реальном масштабе времени, а также в системах, работающих по расписанию с возможностью появления внештатных ситуаций. Так как обычно вычислитель может обслуживать одно- где временно измерение и обработку нес< кольких параметров объекта, то работа по расписанию должна занимать возможно меньшее время. Тогда ос- 40 тальное машинное время вычислителя можно равномерно распределить. В данном случае только собственно измерение и коррекция идут по расписа-, нию, а вся калибровка может быть 45 равномерно распределена во времени, что увеличивает экономический эффект, так как большой объем вычислительных работ можно производить на процессорах малой разрядности и быстродействия.

) 367154 в» где

5 v

n„ const, а второй коэффициент попра ки вычисляют по формуле л,... л п - пц 4. ю м 1nK /K

2 2>

1п U3/Ux л ч

n — n„ Uü

1пК = — — — — —" — 1п -— л л у Ф и у

К и К реальный и идеальный коэффициенты усиления калибровочных сигна лов; — f(K U„) - калибровочный код, пропорциональный усиленному калибровочному напряаению U .

1367154

Составитель И. Романова

Т ехред Л . Сердюков а Корректор N. Демчик

Редактор Т.Лазоренко

Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6850/55

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Ужгород, ул.Проектная, 4