Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в цифровых измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь,.содержащий аналого-цифровые преобразователи 1 и 2, цифроаналоговый преобразователь 3, вычитатель 4, управляемый усилитель 5, цифровой умнозкитель 6, арифметическое устройство 8, генератор 12 тактовых импульсов, генератор 16 начальной установки, счетчик 15 импульсов , элементы 13, 14 задержки, введены цифровой умножитель 7, накапливающий сумматор 9, регистр 10, блок 11 памяти, элемент ИЛИ 17, арифметическое устройство вьтолнено в виде цифрового сумматора-вычислителя.1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (511 4 Н 03 М 1/14

ОПИСАНИЕ И3ОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4243143/24-24 (22) 12.05.87 (46) 15.01.89, Бвл. М 2 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) А.Х.Мурсаев, О.В.1Чишов и М.И.Коротин (53) 681.325(088.8) (56) Полубабкин 10.В. Способ построения многоразрядных АЦП с цифровой коррекцией динамических погрешностей, — Вопросы радиоэлектроники.

Сер. Электронная вычислительная техника. Вып. 11, 1981, с. 125.

Авторское свидетельство СССР

N - 1325697, кл. Н 03 М 1/14, 1986. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в цифровых измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь,.содержащий аналого-цифровые преобразователи 1 и 2, цифроаналоговый преобразователь 3, вычитатель 4, управляемый усилитель

5, цифровой умно жтель 6, арифметическое устройство 8, генератор 12 тактовых импульсов, генератор 16 начальной установки, счетчик 15 импульсов, элементы 13, 14 задержки, введены цифровой умножитель 7, накапливавщий сумматор 9, регистр 10, блок

11 памяти, элемент ИЛИ 17, арифметическое устройство выполнено в виде цифрового сумматора-вычислителя.! ил.

1451856.

Изобретение относится к вичисли- тельной технике и может найти применение в цифровых измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

На чертеже приведена функциональная схема описываемого аналого-цифрового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь содержит аналого-цифровые преобразователи 1, 2 (АЦП), цифроаналоговый 15 преобразователь 3 (ItAII), вычитатель

4, управляемый усилитель 5, первый

6 и второй 7 цифровые умножители, цифровой сумматор-вычитатель 8, накапливающий сумматор 9, регистр Ю, 2р блок ll памяти, генератор 12 .тактовых импульсов {ГТИ), элементы 13, 14 задержки, счетчик 15 импульсов, генератор .16 начальной установки (ГНУ), элемент ИЛИ 17, управляемый 25 усилитель 5 состоит из резистора 1S, операционного усилителя 19, цифроаналогового преобразователя 20, Преобразователь работает следующим образом. 30

После включения питания на выходе генератора 16 формируется импульс, который поступает на вход сброса регистра 10 и вход сброса счетчика 15 и сбрасывает их в "0", этот же импульс через элемент ИЛИ 17 поступает на вход сброса накапливающего сумматора

9 и сбрасывает его в "0", Нулевой выходной код регистра 10 определяет в этот момент времени нулевой адрес 4р на блоке 11, по которому из блока 11 выбирается и устанавливается на входах ЦАП 20 и первых входах цифрового ! умножителя 6 код N«Ä.

Каждое преобразование входного напряжения U „(t) в выходной код Ив,„ инициируется импульсом генератора 16.

Входное напряжение Uù„(t) поступает 5р на вход АЦП 1, который преобразует его в двоичный код. В момент времени

t i при поступлении на тактовый вход

АЦП 1 импульса с ГТИ 12 на выходах

АЦП 1 фиксируется код N<, соответствующий значению входного напряжения в этот момент времени, и,=(v„(t,, )-ь„и,Як„„„,, где К,н„ вЂ” крутизна характеристики

АЦП 1;

dK — погрешность квантования

АЦП 1, Код N поступает на ЦАП 3, который формирует точный аналоговый эквивалент П д„, грубого цифрового приближения входного напряжения 3 (t, ) вх ц4п i Кцхп, где K»n - крутизна характеристики

ЦАП 3, Промежуточный аналоговый сигнал

Бнх„ вычитаетсЯ в вычитателе 4 из цдп< входного напряжения 1Je„(t) . На выходе вычитателя 4 при Кх „- — 1/K „,образуется разностное напряжение Д„(t ), которое усиливается усилителем 5. Напряжение Б на выходе управляемого усилителя 5 равно о вх(! ) УН4 ) причем Кц — коэффициент усиления управляемого усилителя 5 определяется следующим образом: где К д„„ — коэффициент наклона харакй теристики ЦАП 20, имеющий размерность проводимости;

R — величина сопротивления во входной цепи управляемого усилителя 5;

N — числовой эквивалент кода, подаваемого на входы ЦАП

20;

И „— максимальный числовой эквимснсс (/ валент кода N

Напряжение U> поступает с выхода управляемого усилителя 5 на вход

АЦП 2, который преобразует его в код

И . Код N+ фиксируется на выходах

АЦП 2 при поступлении на его тактовый вход тактового импульса d выхода элемента 13 в момент (t, +с ), где л Ad с — время задержки поступления такI тового импульса на АЦП 2 относительно времени его поступления на АЦП, учитывающеro время преобразования

U (t) АЦП 1, время переходных процессов в ЦАП 3 и операционном усилителе

19, которое определяется элементом 13.

Если напряжение П в момент (с- +

)e

+ ) не превосходит значений допусМФ; тимого диапазона входного напряжения

АЦП 2, код N определяется следующим образом.

1451856

+"san + кг("< +M .) ) Ацп э где U (t, + A) — выходное напряжение ! усилителя 5 в момент поступления тактового импульса на тактовый вход АЦП 2; !

К„„„ — крутизна характеристики

АЦП 2;

)1К вЂ” погрешность квантования

АЦП 2, Если напряжение ).) в момент (1, +

+i A) будет больше значений допустимого диапазона входного напряжения

АЦП 2, то

10

45 где К вЂ” коэффициент передачи сумматора-вычитателя по входам кода N< .

Одновременно код N поступает на первые и вторые входы цифрового умножителя 7, на выходе которого обраz зуется код M=N . Этот код поступает на вход данных накапливающего сумматора 9, с приходом тактового импульса на вход записи накапливающего сумматора 9 с выхода элемента.14 в момент времени (С, +а +!!,, ), где с,Ч, — время задержки поступления тактового импульса на вход записи накапливающеN --N

2 !гмако где N — код, числовой эквивалент еахс которого равен максимальному целому числу, которое 20 можно представить выходным кодом AJF. 2.

При этом код )!)г определяется с динамической погрешностью, равной

4. 25 г 2 макс 1

4 где N — идеальное значение кода N

l ъ соответствующее величине выходного напряжения L управляемого у ит я 5- 30

Код N< с выходов АЦП 3 поступает на вторые входы цифрового умножителя

6, на выходах которого образуется код ,l 1

)г — N2 N ! 35

Код N< поступает на вторые информационные входы цифрового сумматоравычитателя, на первые информационные входы — N,; с учетом знака напряжения

U „ ó÷èòûâàåìoão по знаковому разря- 40 ду AIJJ) 2, на выходе цифрового сумма-! тора-вычитателя образуется выходной код устройства го сумматора 2 относительно момента поступления его на тактовый вход АЦП

2, учитывающего время преобразования

АПП 2 и время работы цифровых умножителей 6, 7, код N суммируется в г накапливающем сумматоре 9 со значением, находящимся там ранее. Тактовый импульс с выхода элемента 14 поступает также на счетный вход счетчика 15 и увеличивает значение кода, записанного в нем, на единицу, В следующем цикле преобразования, инициируемом следующим тактовым импульсом ГТИ 12, описанный процесс преобразования повторится — на выходе цифрового сумматора-вычитателя 8 сформируется новое значение N, в

eon накапливающем сумматоре 9 новое значение кода N просуммируется со зна!

2 чением, записанным там ранее, значение кода, записываемое в счетчик,. увеличится на единицу.

Так будет продолжаться до тех пор, пока число тактовых импульсов ГТИ 12 не станет равным коэффициенту пересчета I„ )5, При этом на выходе счетчика 15 появится единичный сигнал, который поступает на вход записи регистра 10 и через элемент 17 на вход сброса накапливающего сумматора

9. По этому сигналу значение, накопленное в накапливающем сумматоре за

L тактов преобразования и равное

L м=, (г) „),, е-< запишется в регистр 10, а с некоторой задержкой, обусловленной задержкой передачи сигнала через элемент

17, произойдет сброс накапливающего сумматора 9. Код М с выхода регистра

)0 поступает на адресные входы блока ! f

11, Код N выбранный из блока 11 по адресу, определяемому кодом И, поступает на входы ЦАП 20 и первые входы цифрового умножителя 6 и будет неизменным следуищие Ь таковых преобразований. Следующий цикл преобразования инициируется поступлением нового тактового импульса с ГТИ 12.

Период следования тактовых импульсов

ГТИ 12 должен учитывать с д с „ и с „, где с д — время, необходимое !41 для срабатывания регистра 10, выборI ки из блока 11 нового значения N u окончания переходных процессов в операционном усилителе 19.

5 1451856 6

При использовании идентичных АЦП ной код устройства определяется слет.е. при К„ „. =Кд„п =К„„„, выход- дующим образом:

Nab „=K„ö„K(U,1(tñ ) „(<)+ „N Кд ьГ1,х(t, ) „„„ t +А„(+"Зад)1 при 11, Ч г

N =KN + rTI N

40 подавляется, и динамическая погрешность, при этом

При неизменном входном напряжении

U „(t) и принебрежении малыми ошибками АЦП 1 и IIAII 3 достаточно чтобы вес старшего разряда кода N был ра1 вен половине веса младшего разряда кода N,. При этом коэффициент усиления управляемого усилителя 9 К дол 5 жен быть равен К =2, где Б — число двоичных разрядов АЦП 2, что обеспечивается подачей на входы ЦАП 3 кода

Такое значение N„ „и устанавлива- 20 ется на входах ЦАП 20 в начальный моI мент работы. Для этого код Nt, ö записывается в блок 11 по адресу "000...

О", ко торый ус танавливае тся на адресных входах блока 11 в первый момент времени после включения устройства вследствие обнуления выходного кода регистра 10 по приходу импульса с ГНУ 16.

Установление такого коэффициента усиления К управляемого усилителя

9 при неизменном входном напряжении обеспечивает равенство значения максимального выходного напряжения управляемого усилителя 9 и максималь- 35 ного значения допустимого напряжения входного АЦП и минимизацию статических погрешностей преобразования, а при выполнении условий:.Однако за время между моментами> фиксации кодов N и N, то есть между моментами времени t< и (t,, +c>>), входное напряжение U „(t) может измениться на величину FIt (t1+ > <), 50 поэтому AIgl 3 преобразует в код не только усиленное значение Ь k, (t ), а и усиленную величину (Ьс (t < ) by(tt+

+t,» )), при этом выходное напряже\ ние управляемого усилителя 5 может превысить значение допустимого диапазона входного напряжения АЦП 3, и код

И будет равен N.„- „,. Выходной код устройства в этом случае равен и определяется с динамической погрешностью.

Дпя исключения пОдобных ситуаций необходимо уменьшить коэффициент усиления К управляемого усилителя 5, а с тем, чтобы функциональная характеристика преобразователя не изменилась, аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя 6 по входам кода Nz Уменьшение коэффициента усиления К приведет к увеличению статической погрешности преобра3 зов ания, максимальная полная погрешность преобразования уменьшится.

Однако изменение коэффициента усиления К должно быть таким, чтобы при исключении с большой вероятностью диапаз она допустимо го входного напряжения АЦП 2 значением выходного напряжения в управляемом усилителе

5 это изменение минимально отразилось на статической точности преобразования.

С другои стороны, в последующих циклах преобразования величина изменення в 1(в, +c»>) вханнага ненаяне1 ния И, (1 может быть меньше, чем в Ь предыдущих циклах ° При этом коэффициент усиления К можно вновь увеличить, а чтобы функциональная харак-! теристика преобразователя при этом не изменилась, соответственно уменьшить коэффициент передачи цифрового умножителя 6 по входам кода N . Увеличение К приведет к уменьшению статической погрешности преобразования и уменьшению его полной погрешности.

Однако увеличение коэффициента усиления К должно быть таким, чтобы вероятность превьш|ения диапазона допустимого входного напряжения АЦП

2 значением выходного напряжения в последующих циклах преобразования не стала выше заданного уровня, Эту вероятность можно оценить, зная текушие динамические характеристики входного сигнала.

Таким образом, для постоянного поддержания оптимального соотношения

2

Q(Nг )е

1451856

D— к

1 L

ЭО

1 к К Кац g 11макс °

7 между статической и динамической погрешностями преобразования оценка нео бходимой степени изменения (уменьшения или увеличения) величины коэффициента усиления К должна проиэво5 диться периодически по текущим значениям динамических характеристик входного сигнала и на основе их периодически корректироваться . Это производится следующим образом.

Характеристикой, определяющей динамические характеристики входного сигнала и вероятность превышения выходным напряжением управляемого усилителя 5 величины допустимого диапазона входного напряжения. АЦП 2, является среднеквадратическое отклонение 8„ сигнала на входе управляемого усилителя 5. Дпя большинства реаль-20 ных входных сигналов величину напряжения на входе управляемого усилителя 5 в момент фиксации кода И на выходах АЦП 2 можно считать случайной величиной, распределенной по нормаль- 25 ному закону и центрированной относительно нулевого значения. При этом коэффициент усиления К необходимо выбирать из условия

Тогда, если входной процесс стационарен, вероятность того, что код в последующих измерениях превысит значе35 ние N<„„, будет пренебрежительно мала.

Если рассматриваемый сигнал не стационарен, то значение „ будет меняться, при этом значение К должно периодически корректироваться. Так 40 как изменение коэффициента усиления

К и коэффициента передачи цифрового умножителя 6 по входам кода N не изменит общую функциональную характеристику устройства, оценить диспер- 45 сию сигнала на входе управляемого усилителя 5 можно по дисперсии сигнала на выходе цифрового умножителя б. Код М на выходе накапливающего сумматора 9 после каждого L-го цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора 2 определяется как

М= Q(N )g, е= равен дисперсии Р„ величины кода N

117маке

3 (Ж )а КдМ е=

Затем вычисляются коды N, определяющие для различных значений М=

=LD„ характеризующих текущие динамические характеристики входного сигнала, соответствующие им необходимые значения коэффициентов усиления

К, и заносятся по адресам, равным кодам М, в блок 11.

Таким образом, после каждого Тго цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора На выход регистра 10 с выхода накапливающего сумматора 9 переписывается код, определяющий дисперсию сигнала на входе управляемого усилителя 5, и по этому коду из блока 11 выбирается код N, определяющий необходимый коэффициент усиления К . Вследствие этого исключается с заданной вероятностью превышение выходным напряжением управляемого усилителя 5 величины допустимого диапазона входного напряжения АЦП 2 и для выбранной вероятности устанавливается оптимальное соотношение статической и динамической погрешностей преобразования °

В отличие от,прототипа, в описанном преобразователе не фиксируется наихудший случай, характеризующийся максимальной скоростью изменения входного напряжения У „(1) за весь предшествующий период с начала работы устройства; выбор коэффициента усиления К осуществляется в соответФ ствии с динамическими характеристиками входного сигнала, оценка которых производится за конечное число

L предшествующих циклов преобразования.

Число L с одной стороны, выбирается из условия достаточности статистической выборки, T ° P- ° заданной точности оценки величины Лк, причем число L растет с увеличением заданной точности оценки. С другой стороны, число L выбирается из характерис9 145 тик изменчивости измеряемого неста-, ционарного процесса, Для того, чтобы погрешность определения Э„ не сказалась на работе устройства, ее необходимо учесть, используя следующее соотношение .

1 100-( х К К цд 3 (00 1 рщ

1856 10 где — заданная относительная погрешность определения величины ?)„ в процентах.

Кроме тоro, выполнение этого условия делает данное устройство менее критичным к динамическим всплескам входного сигнала на кратковременных интеовалах, характеризующихся высокой

iскоростью йзменения входного напря;;:,е.шя ТJ „(t).

Формула изобретения ми накапливающего сумматора, а выходы регистра через блок памяти объединены с соответствующими цифровыми входами управляемого усилителя, 50

Составитель А. Титов

Редактор А.Маковская Техред М. Ходанич Корректор С.101екмар

Заказ 7091/55 Тираж 879 Подписное ,ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий арифметическое устройство, источник импульсов, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобразователь, вычитатель, управляемый усилитель, первый цифровой умножитель, генератор начальной установки, генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы задержки, аналоговый:вход первого аналого-цифрового преобразователя и первый вход вычитателя объединены и являются входной шиной, выходы первого аналого-цифрового преобразо вателя соединены с соответствующимй

I входами цифроаналогового преобразователя и первыми информационными входами арифметического устройства, второй вход вычитателя соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход вычитателя соединен с аналоговым входом управляемого усилителя, цифровые входы которого объединены с соответствующими первыми входами первого цифрового умножителя, вторые входы которого соединены с соответствующими цифровыми выходами второго

45 аналого-цифрового преобразогателя, аналоговый вход которого соединен с выходом управляемого усилителя, тактовый вход объединен с входом первого элемента задержки и соединен с выходом второго элемента задержки, вход которого объединен с тактовым входом первого аналого-цифрового преобразователя и соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выходы первого цифрового умножителя соединены с соответствующими вторыми информационными входами арифметического устройства, выходы которого являются выходной шиной, о т л и ч аю щ и .й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй цифровой умножитель, накапливающий сумматор, регистр, блок памяти,. элемент ИЛИ, а арифметическое устройство выполнено в виде цифрового сумматора-вычитателя, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разряда второго аналого-цифрового преобразователя, причем выходы первого цифрового умножителя соединены с соответствующими первыми и вторыми входами второго цифрового умножителя, вы ходы которого соединены с соответствующими входами данных накапливающеге сумматора, вход записи которого объединен со счетным входом счетчика импульсов и соединен с выходом пер-. вого элемента задержки, вход сброса накапливающего сумматора соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с входами сброса регистра, счетчика импульсов и соединен с выходом генератора начальной установки, второй вход элемента ИЛИ объединен с входом записи регистра и соединен с выходом переполнения счетчика импульсов, входы данных регистра соединены с соответствующими выхода