Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в спектрометрии ионизирующих излучений. Цель изобретения - повьппение точности. Устройство содержит аналоговый сумматор 1, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающее е устройenfffi ство 4, аналоговый коммутатор 5, генератор 6 чисел разравнивания, цифроаналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного напряжения , цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распреде - литель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе 13, двух резисторах 14, 15 и четырех ключах 16 -16 . Введение аналогового 5 и цифрового 10 коммутаторов, аттенюатора 3 и источника 8 опорного напряжения позволило повысить точность преобразования за счет уменьшения случайной составлякщей погрешности преобразования при использовании метода статистического разравнивания, 1 з.н. ф-лы, 2 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (191 (11) (51) 4 Н 03 M 1., 6%

1

$ г

В М !

ЦЯ К(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4024458/24-24 (22) 19.02,86 (46) 29.02.88. Бюл. 1(8 (71) Уральский политехнический институт им. С.М.Кирова (72) А,В.Жуков, С.Н.Ржендинская и В.Н.Махов (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 287422е, кл. Н 03 М 1/56, 1969.

Патент Италии 1(699271, кл. Н 03 К 13/20, опублик. 1967. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ (57) Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в спектрометрии ионизирующих излучений. Цель изобретения - повышение точности, Устройство содержит аналоговый сумматор 1, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающее е устройство 4, аналоговый коммутатор 5, генератор 6 чисел разравнивания, цифроаналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10 регистр 11 последовательного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр ll последовательного приближения и распреде— литель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе 13, двух резисторах

14 15 и четырех ключах 16 -16 . ВвеЭ .1 дение аналогового 5 и цифрового 10 коммутаторов, аттенюатора 3 и источника 8 опорного напряжения позволило повысить точность преобразования за счет уменьшения случайной составляющей погрешности преобразования при использовании метода статистического разравнивания, 1 з.в. ф-лы, 2 ил.

1378061

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в спектрометрии ионизирующих излучений.

Цель изобретения — повышение точности, На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2— временные диаграммы, поясняющие 10 функционирование распределителя импульсов.

Устройство (фиг. 1) содержит аналоговый сумматор 1, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающее устройство 4, аналоговый коммутатор

5, генератор 6 чисел разравнивания, цифроаналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, DHApoBOH коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распределитель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе

l3, двух резисторах 14 и 15 и четырех 25 ключах 16.

В основу аналого-цифрового преобразования положен принцип аналогоцифрового преобразования суммы измеряемого сигнала 7 и сигнала разравнивания Ц, (7+Ц, ) о методу последо3 вательных приближений, в результате чего формируется код И указанной сумьж. Из полученного кода И вычитается кад числа разрав".ивания М„, причем значение числа разравнивания в каждом 35 цикле преобразования задается по случайному закону, т.е. используется метод статистического разравнивания для повышения достоверности результата преобразования.

Устройство работает спедующим образом.

В начале цикла преобразования до команды "Пуск", поступающей на вход распределителя 12 импульсов (фиг. 2), 5 аналоговое запоминающее устройство

4 находится в режиме выборки. В аналоговом коьжутаторе 5 ключи 16, 16

1 Р и 16, замкнуты, а ключ 16 разомкнут.

С выхода цифроаналогового преабра- 50 зователя 7 через замкнутый ключ 16„, 3 операционный усилитель 13, в цепи отрицательной обратной связи которого находятся последовательно включенные замкнутый ключ 16 и резистор 55

15, а также через аттенюатор 3 на первый вход аналогового сумматора 1 подается сигнал раэравнивания соответствующий числу раэравнивания

С . Входной преобразуемый сигнал

V поступает на второй вход аналаго1 ваго сумматора 1, с выхода которого сумма сигнала V;. и сигнала разравнивания Q, поступает на вход аналогового запоминающего устройства 4. На выходах генератора 6 чисел раэравнивания установлен код N числа разJ равнивания С„. Генератор 6 чисел раэравнивания имеет m разрядов, причем m си, где n — - число разрядов аналого-цифрового преобразователя. Эти

m разрядов кода разравнивания с помощью цифрового коммутатора 10 подключены к старшим разрядам цифроаналогового преобразователя 7, на младшие разряды каторага подаются уровни "0". Таким образом осуществляется цифровое умножение на 2" числа разравнивания. Для этого, чтобы ском. пенсировать усиление сигнала разравнивания используется аттенюатор 3, коэффициент передачи которого К =

=lj2ì-

C приходом команды "Пуск" (фиг.2а) сигналом с первого выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2б) сумма сигналов V +Я запоминается в анало1 J гоном запоминающем устройстве 4 на время преобразования. При этом цифровой коммутатор 10 по сигналу управления с четвертого выхода распределителя 12 (фиг. 2д) подключает выходы регистра 11 последовательных приближений к информационным входам цифроаналогового преобразователя 7, а в аналоговом коммутаторе 5 по команде с пятого выхода распределителя 12 импульсов (фиг, 2е) ключ 16 . размыкается, а ключ 16 замыкается.

Таким образом, цифроаналоговый преобразователь 7 на время преобразования управляется от регистра 11 последовательного приближения, а era выходной ток при помощи кампаратора

2 сравнивается с током, поступающим через резистор 14 и замкнутый ключ 16 от аналогового запоминающего устройства 4 на второй вход компаратара 2, При этом осуществляется аналого-цифровое преобразование сумы,: сигналов Ч-+Р; па методу после1 давательных приближений. На информационный вход регистра 11 последовательных приближений поступают сигналы с выхода компаратора 2, а на его тактовый вход с шестого выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2ж) поступают тактовые импульсы.

1378061

М1 (), (. > v+Q ) (1) =о где И вЂ” число квантов, на которое осуществляется разравнивание, Однако сам процесс статистического раэравнивания приводит к увеличению случайной составляющей погрешности преобразования, обусловленному помимо исходной дифференциальной нелинейности АПД (АЦП без разравнивания) дифференциальной нелинейностью

По окончании преобразования на выходах ре. истра 11 последователь1 ного приближения формируется код N суммы V +Q . В цифровом сумматоре 9

5 из кода N вычитается код N „ числа разравнивания, полученный результат, пропорциональный входному преобразуемому сигналу V с выхода цифрового сумматора 9 по команде с третьего выхода распределителя импульсов (фиг. 2г) выдается на выходную шину устройства. По сигналу с второго выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2в) в генераторе б чисел разравнивания формируется очередное значение кода разравнивания и с приходом следующей команды 11Пуск" устройство начинает очередной цикл ,преобразования.

Одним из основных точностных параметров АЦП, предназначенных для использования в спектрометрии ионизирующих излучений, являются дифференциальная нелинейность и относительное амплитудное разрешение. Более полно, чем относительное амплитудное разрешение, шумовые характеристики АЦП отражает профиль кванта

P(i V) который определяется как функция вероятности того, что сигнал амплитуды V преобразуется в код i, Профиль кванта идеального АЦП вЂ” прямоугольный с шириной, равной ширине кванта. В реальных АЦП действие погрешностей преобразования приводит 35 к искажениям профиля кванта, которые выражаются в сглаживании формы профиля кванта, в расширении его границ более чем на величину одного кванта.

Статистическое разравнивание величи- 40 ны квантов является эффективным средством улучшения дифференциальной нелинейности. При прямоугольной весовой функции разравнивания эффективный профиль i-ro кванта в АЦП со ста- 4 тистическим разравниванием может быть представлен выражением схемы разравнивания, а также неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и раэравнивания.

Под повышением точности в данном случае понимают уменьшение случайной составляющей погрешности преобразования или увеличение коэффициента качества профиля кванта.

Случайная составляющая погрешности преобразования может быть вызвана неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и разравнивания и дифференциальной нелинейностью шкалы раэравнивания. Согласование масштабов шкал означает равенство средних величин квантов АЦП без разравнивания h u квантов разравнивания Ь .

Допустим, что шумы АЦП беэ разравнивания отсутствуют, т.е. профиль кванта АЦП без разравнивания прямоугольный:

I(i,v) и (i,v), (2) ) 1 1, при V„(V(V...;, О,, при Ч.>V и ЧМ., (3) где V. u V - 1-я и 1-я границы

1 квантования АЦП без разравнивания, выраженные в единицах входного сигнала.

Тогда выражение (1) для АЦП с раэравниванием принимает вид

w,(i,v)=; —, о(+,), ч „), (4)

1 где

11(1 3 V+Q )

1 О при V Ч+Ц. и Ч+®Ч;, .> (5) где V. u V. — соответственно (+,))-я и (х+)+1.)-я границы квантования

АЦП без разравнивания, выраженные в единицах входного сигнала.

Обозначим через К h=h -h разность средних значений величин квантов

АЦП беэ разравнивания и шкалы разравнивания. Если пренебречь смещением начальной точки характеристики преобразования, то ошибки положения соответствующих границ квачтования

AIgI без разравнивания, вх;дящих в выражение (5), запишутся в виде

1378061 (6) - г а

4 (7) ь У„, =V (i+ )h а

6Q =Q -Jh =Q -J (h -ь1) .

1 э v > a

Подставим выражения в (5):

5 У. =У - (1+,1+1) 1г,.

) ) 1 при гV1„+(i+) )h

0 при всех других V

15,г 10 при всех у+я.г

2 Р„ +В1

1 (14) V(N ) h N,брэгг й=+R В +Н„

ЧДп

Отсюда

U(N) ч (V+/ )K„K

1 М АС

Я +Я„ 11 (12) Следовательно, (RÄn ь„,) (в., +-" )к„ (20) (13) Номинальное значение К равно

4 г л

Из выражений (4) и (10) видно, что для увеличения коэффициента ка чества профиля кванта АЦП с раэравниванием необходимо в правой части выражения (10) уменьшать слагаемые, содержащие 7 в виде индекса или соПокажем, что в устройстве не требуется настройки для согласования масштабов шкал аналого-цифрового ггреобразования и разравнивания.Для преобразования и разравнивания используется один и тот же ЦАП 7.

Согласование масштабов шкал означает, что коэффициент передачи сигнала ЦАП 7 через аналоговый коммутатор 5 на первый вход компаратора 2 должен быть в 2 pBs большер козффдцненг" передачи сигнала

BAH 7 -герез ан-глотовый коммутатор аттенюатор а, а алоговый сугв.гатор 1, АЗУ 4 и aHàëîãoâbé когщутатор

Ча РУДе,„" и В "„О КОМПапат лоа

И гЛ, представим источником напряжения 11(М) ггри подаче на его входы кода М от регистра 11 послегговательного приближения или U(C 2 )при

4О подяче Hp его Входы КОДЯ Б оТ гене ратора 6 чисел разравнивания. Выходное сопротивление этого источника напряжения ОбОэнЯчим R

Ч и

Компаратор " сравнивает токьгде R -R - сопротивления замкнутых

М птюч еи 1 6

К и K - коэффициенты передачи

Р1И Лл

АЗУ 4 и аналогового сумф матора

Примем К =1 и К --1, что практиязч Ас чески легко осуществить с высокой точностью. Тогда 13 принимает вид

Аналогично ошибка,1-го сигнала раэравнивания равна множителя. Допустим, что в АЦП с разравниванием нет источников случайной составляющей погрешности преобразования кроме рассогласования масштабов шкал g h. Тогда 10 принима1 ет вид, 1гсVс(i+1 )h +)gh (11) других У, В конце преобразования должно выполнятъся успОвие Х =Х . При N=N к и =0, т.е. Ц.. =0, подставим (12) и . (14) в (15):

1 V(Nша„„) ° R +R„бг) U, (1 +Б 16 1) где U — шаг квантования ЦАП, о й„— А (Вы +Б „)К, (18)

v(c-2 ) цщ 1б где К вЂ” коэффициент передачи аттенюатора.

Тогда

U(Cj ) (Rqf1+Rqg )Ка

С . С- К -В

J факс J MaK ИМ ""ÜÇ (19) 2" "

При использовании прецизионных резисторов, погрешность Ка не более

+0,01X. Аналогично, ггри R R,,b погрешность этих резисторов дает сум137806!

Следовательно, из-за рассогла— сования масштабов шКал в предлагаемом устройстве при отсутствии остальных источников погрешностей профиль

5 кванта имеет форму равнобедренной трапеции„ нижнее и верхнее основание которой равны 1,3 h и 0,7 а высота равна 1, Коэффициент качества профиля кванта К =0,925, При та ких параметрах профиля кванта не требуется настройки для согласования масштабов шкал преобразования и разравнивания.

Рассмотрим влияние слагаемого

h,g „ выражения (10) на случайную составляющую погрешности преобразования. Это слагаемое отражает влияние

1 дифференциальной нелинейности шкалы

20 разравнивания. Допустим, что В АЦП отсутствуют все остальные источники погрешностей кроме ошибки сигнала разравнивания 5 И . В этом случае вы- J ражение (10) принимает вид

П1(+) y+q ) при х1 1(— 6Я (Ъ (1.+1 )}1 — (Д 1 (22) 0 при всех остальных значениях V марный вклад в погрешностью h не более + 0,01Х. Разброс сопротивлений открытых ключей микросхем 590КН2 и

590КН7 составляет не более 0,25 Ом.

При R„ R -R .кОм и R R„б В

1б 16

=50 Ом разброс сопротивлений открытых ключей дает суммарный вклад в

0 25 погрешностью h не более "— — -el00%

1000+50

«4 д 0,095%. Следовательно суммарная погрешность ь h от действия всех источников погрешности, входящих в выражение (20), составляет не более

0 115Х. Отсюда максимальное значение

1 случайной составляющей погрешности преобразования, вызванной рассогласованиемл и масштабов шкал аналогоцифрового преобразования, при И=255 составляет

1=М д h= — - --+ — — h „,0,3 h.,(21)

255.0 115%

100% где ь Ц вЂ” значения погрешности напряJ жения раэравнивания, d. — разрядные цифры в двоичной к записи числа С -, принимают

J значение 0 и 1.

«(п-ш), (23) где д (n-ш) — напряжение, соответствующее разряду с номером К(п-m) ЦАП 7;

Тогда погрешность л Я. можно выра4 вить через погрешности напряжений разрядов ЦАП: аЦ = --„-„,, d,zV, (и-ш). (24)

К=1

Обычно у ЦАП суммарная погрешность не превышает единицы младшего разряда J„, поэтому можно принять

Wn то !

QrJ.„AUJ„,„, =U, и+a.„àÁ„(ë-т) )

=U (25) тогда из (24) получаем гU 11, ! r (26) 3 оке 2

50 так как коэффициент г, введенный в (23), близок к единице и 11,=Е„, Таким образом, дифференциальйая нелинейность шкалы разравнивания предлагаемого устройства примерно в 2" " раз меньше, чем у прототипа. Если в прототипе и предлагаемом устройстве использовать ЦАП с дифференциальной нелинейностью + единица младшего разряда, то из выражений (22) и (26) видно, что проФиль кванта за счет дифференциальной нелинейности шкалы разравнивания у прототипа имеет в основании 3 h, а в данном устройстве

О, для М=255 и n=12 h (1+2/2" >)=1 h„.

Максимальное значение случайной составляющей погрешности преобразования составляет соответственно h „, и 1/16

h . Таким образом, цифровое умножение числа разравнивания на 2" и последующее ослабление напряжения разравнивания увеличивает точность в предлагаемом устройстве, Кроме того„ при этом уменьшается вклад собственных шумов ЦАП в шумы сигнала pasравнивания, что также увеличивает точ. ность АПП.

Формула из обре т ения

1. Аналого-цифровой преобраэова-.åëü, содержащйй компара:cp, цифро1378061 аналоговый преобразователь, аналоговый сумматор, выход которого соеди,нен с информационным входом аналогово.

ro запоминающего устройства, регистр последовательного приближения, выходы

5 которого соединены с соответствующими первыми информационными входами цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, а вторые информационные входы соединены с соответствующими выходами генератора чисел разравнивания, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены источ- 15 ник опорного напряжения, аналоговый коммутатор, аттенюатор, цифровой коммутатор и распределитель импульсов, вход которого является входной шиной "Пуск", первый выход соединен с входом управления аналогового запоминающего устройства, выход которого подключен к первому информационному входу аналогового коммутатора, а второй информационный вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а информационные входы соединены с соответствующими выходами цифрового коммутатора, первые и вторые информационные входы которого соответственно соединены с соответствующими выходами регистра последовательного приближения и генератора чисел раз- З5 равнивания. вход управления которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с управляющими входами соот- 40 ветственно цифрового сумматора, цифрового коммутатора и аналогового коммутатора„ первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, третий выход через аттенюатор соединен с первым входом аналогового сум" матора, второй вход которого является входной информационной шиной, шестой выход распределителя импульсов подключен к тактовому входу регистра последовательного приближения, информационный вход которого подключен к выходу компаратора.

2. Преобразователь по и. 1,,о тл и ч а ю шийся тем, что аналоговый коммутатор выполнен на четырех ключах, двух токоограничивающих элементах, выполненных на резисторах, и операционном усилителе; выход которого является третьим выходом аналогового коммутатора и через последовательно соединенные первый резис-, тор и первый ключ подключен к входу операционного усилителя и к выходу второго ключа, информационный вход которого объединен с информационным входом третьего ключа и является вторым информационным входом аналогового коммутатора, управляющий вход второго ключа объединен с управляющим входом третьего ключа и является управляющим входом аналогового коммутатора, выход третьего ключа является первым выходом ачалогового коммутатора, первый вывод второго резистора является первым информа.— ционным входом аналогового коммутатора, второй вывод соединен с информационным входом четвертого ключа, выход которого является вторым выходом аналогового yîììóòàòîðà, управляющие входы первого и четвертого ключей объединены и подключены к шине логической единицы.

1378061

С1 4

Составитель И.Капитанов

Редактор Т.Лазаренко Техред И.Попович Корректор О.Кравцова

Заказ 891/5á

Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предп, г. Ужгород, ул. Проектная, ч