Способ аналого-цифрового преобразования

 

Изобретение относится к области вычислительной цифровой измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые. Цель изобретения - повышение быстродействия аналогоцифрового преобразования - достигается при поразрядном уравновешивании входного аналогового сигнала суммой основного компенсирующего аналогового сигнала поразрядного уравновешивания , соответствующего весам избыточного измерительного кода, и первого дополнительного компенсирующего сигнала той же полярности путем формирования на тактах уравновешивания, которым предшествовало превышение сигнала уравновешивания над входным аналоговым сигналом, второго дополнительного компенсирукщего сигнала противоположной полярности, который суммируется при формировании сигнала уравновешивания с основным и первым дополнительным компенсирующим сигналами . 2 ил. с S сл

СОЮЗ GOBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) С51) 4 Н 03 М 1/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4113965/24-24 (22) 05.09.86 (46) 15.04.88. Бюл. и 14 (72) В. Я. Стейскал (53) 681.325(088.8) (56) Лаврентьев В. И. и др. Аналогоцифровые преобразователи двустороннего уравновешивания. Киев: Общество

"Знание" УССР, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 1304172, кл. Н 03 М 1/26, (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБ»

РАЗОВАНИЯ (57) Изобретение относится к области вычислительной цифровой измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые. Цель изобретенияповышение быстродействия аналогоцифрового преобразования — достигается при поразрядном уравновешивании входного аналогового сигнала суммой основного компенсирующего аналогового сигнала поразрядного уравновешивания, соответствующего весам избыточного измерительного кода, и первого дополнительного компенсирующего сигнала той же полярности путем формирования на тактах уравновешивания, которым предшествовало превышение сигнала уравновешивания над входным аналоговым сигналом, второго допол" нительного компенсирующего сигнала противоположной полярности, который суммируется при формировании сигнала уравновешивания с основным и первым дополнительным компенсирующим сигна- . лами. 2 ил.

1388985 2

Изобретение относится к вычисли тельной и цифровой измерительной технике и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые.

Цель — повышение быстродействия аналого-цифрового преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, которое может быть использовано для реализации способа аналого-цифрового преобразо" вания; на фиг. 2 " временная диаг" рамма компенсирующего сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1), реализующий данный способ, содержит аналоговый вход 1, строби"

„ руемый блок 2 сравнения, цифро-ана.логовый преобразователь 3 (ЦАП 3),, счетчик 4 адреса, блок 5 логических

, элементов ИЛИ, управляющий вход 6 "Запуск", генератор 7 импульсов, блок 8 постоянной памяти, регистр 9 последовательного приближения, группу выходов 10, являющихся первым вы- . 25 ходом устройства, и выход 11, являющийся вторым выходом устройства.

Изобретение основано на использовании при кодирова.нии входной аналоговой величины избыточных измерительных кодов.

Известно, что под динамической ( погрешностью АЦП поразрядного коди1 рования при изменяюшихся во времени параметрах входного А (t; ) и ком" пенсирующего А (t; ) сигналов понимается разность Ь между ними в мо" мент времени t„„, соответствующей концу кодирования без учета статической погрешности и погрешности дискретизации, т.е. пм), Известно также, что необходимым условием возникновения динамической

45 погрешности второго рода Ь2 являет3 ся изменение А „(с;) за время кодирования Т более чем на величину, например, младшего разряда q. Необходимым условием возникновения динами" ческой погрешности первого рода а „, 50 обусловленной инерционностью узлов

АЦП, является уменьшение длительнос" ти такта кодирования t меньше предельного значения t ; равного

t . =-.1п1/8, где, — постоянная времени эквивалентной схемы цепи сравнения;

3 - максимальное значение пог" решности установления A„(t ) за время t .„, Допустим, что а = О, т.е. А „(t,)

А „ = coIlst, Тогда достаточным ус" ловием возникновения h< будет изменение к моменту определения состояния некоторого, допустим 1-ro разряда сигнала А„() настолько, что нарушится неравенство

g А (с ) = е /2, (г) где 0(- основание кода золотой" пропорции. и

AÄ(t()-q As, A„(t)) + — Q

=Е+ (1) выполнение которого на каждом такте кодирования при использовании способа поразрядного кодирования гарантирует уравновешивание А сигналом ех

A„(t„„) с погрешностью не более q.

При этом в двоичном АЦП, для разрядов которого характерно соотношение и

Q<> Q, появление на любом такте =е+ ошибок кодирования типов "неправильное включение разряда" (в дальнейшем включение") или "неправильное выключение разряда" (в дальнейшем "выключение") неминуемо приводит к на- рушению неравенства (1) и появлению

В АЦП на основе избыточных измерительных кодов (ИИК), для разрядов которого характерно соотношение и

Q i, Q; появление ошибок кодиро;=е, вания типа "включение" (не следующих непосредственно друг за другом) не приводит к нарушению неравенства (1) вследствие автокомпенсации этой ошибки последующими разрядами. Поэтому для осуществления правильного аналого"цифрового лреобразования при наличии погрешностей установления

A„(t ), т.е, при с,, необходимо исключить появление ошибок кодирования типа "включение". В известном способе это реализуется воздействием на процесс уравновешивания дополнительным аналоговым сигналом А (t ), формируемым от момента включенйя и до момента определения состояния

1-го разряда. При этом относительное значение А (е) к весу 1-го разряда постоянно на любом такте и равно для случая cc = 1 618:

1388985

Независимость S А (t; ) от характера процесса формиро ания А „(й ), т. е. от результатов сравнения входного и компенсирующего аналоговых сигналов, не позволяет максимально использовать избыточность, заложенную в АЦП, для повьппения быстродействия. Так быстродействие известного способа аналого-цифрового (А-Ц) преобразо- вания зависит от предельного значения погрешности установления компенсирующего сигнала на каждом такте, которое определяется отсутствием ошибок кодирования типа "включение" и следующих непосредственно друг за. другом ошибок кодирования типа "выключение" (в дальнейшем соседних ошибок кодирования). Отметим, что возникновение на любом такте первой из 2<> названных ошибок возможно только при условии увеличения компенсирующего сигнала на этом такте по сравнению со значением этого сигнала на предыдущем такте, т.е. при A„(t< ) > 2

> А к (й, ), что эквивалентно факту невыключения (1-1) -го разряда. Возникновение на любом 1-м такте ошибок кодирования типа "включение" (в том числе и соседних) возможно только при условии уменьшения компенсирующего сигнала на этом такте по сравнению со значением этого сигнала на предыдущем такте, т.е. при А„(t )а А„(,), что эквивалентно факту выключения (1-1)"ro разряда. В общем случае вероятность воз:никновения ошибки кодирования типа

"включение" можно уменьшить, увеличив A (t<). При этом компенсирующий сигнал, состоящий из суммы дополнительного и основного компенсирующе" го (избыточного набора эталонных сигналов) аналоговых сигналов, увеличится, что уменьшит абсолютную погрешность его установления. Однако в этом случае увеличится и вероятность появления соседних ошибок кодирования типа "выключение". Данное обстоятельство не позволяет увеличивать RA)(tg) вьппе значения, определяемого из (2), и ограничивает быстродействие А-Ц преобразования на уровне, задаваемом значением О, равном в этом случае 5 = oc, т.е. 23,6Х.

Учитывая изложенное, можно предположить, что изменение алгоритма формирования дополнительного сигнала. а именно уменьшение A (tg) до значения Ag(t<) на тех тактах, для которых A„(tg) Ак(сп,), и увели.чение А () до значения А (п) на тех тактах, для которых А„(e)) А (,), позволит увеличить значение 3 и, следовательно, быстродействие А-Ц преобразования, Докажем это путем рассмотрения процесса формирования компенсирующего сигнала.

Пусть на первом такте кодирования присутствует такой A>(t, ),.что при длительности такта кодирования, равной минимально возможной, произойдет полная компенсация недоустановления компенсирующего сигнала, т,е °

AÄ(t< ) - (А (, ),. +а, )8 = а,, (3) где h" = 1-3.

Учитывая, что значение компенсирующего сигнала. на любом 1-м такте равно: еА„(е ) - А„(е,)Е+,> а;q +

+A (t ) + Q<)3 . где а;Е (О, 1) — цифра результата уравновешивания, а также принимая а> = О (j=1,2, °,.1), получим:

A»(t )-A„(t,)З +(A>(t ) +q )E

=а,g+(A (.,) +q,)8

А к (э ) Ак () + (А ("э)-+а э)

=М + (A> (,) +q,) Л + (А, (э ) +

+а )Я ;

Ак("е)=Ак(е- Л+(А (р) — +ае) 8

«к,-д +(A,, Е, Е

"° +(А (,,)+Q<.,)8 8 +(А (,) +

+ае)

Компенсирующий сигнал, описывае" мый данными уравнениями, показан на фиг. 2. Отметим, что с учетом сделанного допущения об отсутствии ошибки кодирования на первом такте для доказательства правильности А — Ц преобразования необходимо показать, что в этом случае при(значении дополнительного сигнала, равного

A (t ) .) при любом входном сигнале не произойдет появления соседних ошибок кодирования типа "выключение" °

Последнее будет возможным, если значение компенсирующего сигнала на любом 1-м такте не превысит предельного значения входного сигнала, равного

1388985

Приравнивая первое слагаемое

А „() к нулю, т. к. (g6) cc 1, а также положив, исходя из (4), А„(й )

+ Яр <, определим 3. Итак:

gl

Q =(А (г ) +Q )

e- q Š— Е 1 8 или

1-8 ж= (ЯА (t ) +1)

Р— 1--ы Г .где F A>(t ) — относительное значение сигнала А (t ) . Отсюда — As(tg ).Ы (5) м -ЯА(с)

Подставим найденное значение 8 в выражение (3), определим А ()+ .

РА (t,),= Ы- - Я А (,), (6) причем

5р

О h A (t<) a /2. (6а)

Вышеприведенные выражения (5), (6), (ба) позволяют по заданному значению е А (t<) определить остальные параметр3 кодирования (3 и 3A (t<)+ цля любого варианта предложенного способа А-Ц преобразования, Отличительной особенностью поспеднего явAsx.пр Яр- э т.е. А „(t<)c А „„, При А „А „„выключение (1-1) - го и 1-ro разрядов не может быть ском- 5

Пенсировано включением младших разрядов, т.к. и, Qe,, Я;- Яр, -с .

Очевидно, что иные значения А „ рассматривать нецелесообразно потому, 4то при А „> А „„увеличивается вероятность включения Qp, а при А „( А „„включение 1-го разряда не приводит к неуравновешиванию А „ сигналом A„(t„,). Для доказательства отсутствия на 1-м такте соседней ошиб" ки кодирования типа ":включение" (первая произошла на (1-1)-м такте) пре- 2р

Образуем полученное выражение для

А (tp) . Выразим в последнем Q че" рез Qg и просуммируем все остальные

Слагаемые, представляющие убывающую геометрическую прогрессию со знаменателем otal (1. Получим:

A „(tp ) =Q g(w F) +(Aq (tp )+Qq) — -у ° ляется адаптивность, заключающаяся в том, что формирование дополнительного сигнала на каждом 1-м такте осуществляется не только с учетом номера такта, но и в зависимости от входного и погрешностей установления компенсирующего сигнала, т.е. от результатов сравнения входного и компенсирующего сигналов на предыдущих (1,2,...,(1-1)-м) тактах. Отметим универсальность предложенного адаптивного способа А-Ц преобразования. Так, при РА (Т ) = о ". /2 получим А (t )+= 6 А (ер)»= оь /2 и 8 = м, что совпадает с параметрами известного способа А-Ц преобразования.при оь = 1,618, Работа устройства происходит следующим образом.

Начинается цикл А-Ц поразрядного кодирования после прихода сигнала

"Запуск", При этом на выходе регистра 9 устанавливается в единичное состояние старший первый разряд (ос- . тальные разряды имеют нулевое значение) и на выходе блока 8 устанавливается кодовая комбинация К,, полученная на основании выражения (6) и записанная в блок 8 на этапе изготовления. Через блок 5 логических элементов ИЛИ коды выходов регистра

9 и блока 8 поступают на вход ЦАП 3, на выходе которого при этом появляется компенсирующий аналоговый сигнал, соответствующий сумме основного компенсирующего и дополнительного аналоговых сигналов и имеющий значение, равное к концу первого такта

А (, ) . Сигнал A„(t< ) сравнивается с входным сигналом при помощи блока 2, выходной сигнал Y ° которого подчиняется следующему соотношению:

О, Aâõ < AÄ(t, );

Y1 E (0315

Aüõ A„(t; ) °

Каждый результат сравнения А „и

A„(t; ) фиксируется в блоке 2 по заднему фронту импульса, поступающему от генератора 7 (по переднему фронту этого же импульса происходит модифи" кация содержимого счетчика 4 и ре- гистра 9).

На втором такте кодирования с приходом импульса от генератора 7 на выходе регистра 9 устанавливается в единичное состояние следующий второй разряд, Состояние первого раэ1388985

7 ряда при этом зависит от Y если

У, 1, то первый разряд остается включенным, если Y 0 - выключается.

Аналогично от результата сравнения, полученного на предыдущем такте (в данном случае Y ) зависит и кодовая комбинация на адресных входах блока

8, младшие ш разрядов которой (ш > log .и) задаются счетчиком 4 и 10 определяют номер такта кодирования, а старший m-й разряд является выходом блока 2 и определяет относительное значение дополнительного сигнала: о А (t, )i или о А (t; ) . В этом случае прй У, =0 на выходе блока 8 устанавливается кодовая комбинация, синтезированная на этапе изготовления с учетом выбранного значения E A>(t; )„ .и соотношения (ба), а при Y =1 - 20 кодовая комбинация, синтезированная из выражения (6).

Работа устройства на любом j-м такте происходит аналогично и заканчивается на (и+1)-м такте поразряд- ного кодирования. При этом сигнал .

А „ уравновешен компенсирующим сигналом ЦАП 3 с точностью до единицы младшего п-го.разряда, на первом выходе 10 устройства находятся вы- 30 ходной код, являющийся цифровым эквивалентом А „, а на втором выходе

11 устройства присутствует сигнал окончания преобразования. на каждом i"м такте формируют сигнал уравновешивания, равный сумме основного компенсирующего сигнала поразрядного уравновешивания и первого дополнительного компенсирующего сигнала той же полярности, и осуществляют сравнение входного аналогового сигнала с сигналом уравновешивания, по результатам сравнения на всех тактах осуществляют формирование выходного кода, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, по результату о сравнения на 1-м такте входного аналогового сигнала с сигналом урав" новешивания в случае превышения сиг" нала уравновешивания над входным аналоговым сигналом осуществляют на (i+1)-м такте до формирования сигнала уравновешивания формирование второго дополнительного компенсирующего сигнала противоположной первому полярности, который при формировании сигнала уравновешивания суммируют с основным и первым дополнительным компенсирующими сигналами данного такта, при этом величину первого дополнительного компенсирующего сигнала выбирают равной: а величину второго дополнительного компенсирующего сигнала равной

Формула изобретения

Способ аналого"цифрового преобразования, основанный на поразрядном уравновешивании входного аналогового 40 сигнала, заключающийся в том, что

А ((i) Q; ° 2К, где М - основание избыточного измерительного кода;

Q; - вес i-го разряда кода;

0 Ксg /2 °

1388985

1388985 дх.прг

ИипРЛ

43х.пр.4 й- анавсгс3ый сценал фее. д

Составитель В. Першиков

Техред Л.Олийнык Корректор Г. Решетник

Редактор М. Циткина

Заказ 1585/56 Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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