Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к области цифровой измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые. Цель - повышение точности преобразования в широком температурном диапазоне. Аналого-цифровой преобразователь содержит аналоговую входную шину 1, преобразователь 2 температуры в напряжение, источник 3 опорного напряжения, блок 4 резистивных делителей напряжения, аналоговый коммутатор 5, повторитель 6 напряжения, управляемый масштабный преобразователь 7 напряжение-ток, выполненный на аналоговом коммутаторе 8 и масштабных резисторах 9,1 - 9к, регистр 10 сдвига, вспомогательный преобразователь 11 код-ток регистр 12 последовательных приближений, блок 13 сравнения токов, выполненный на преобразователе 14 ток-напряжение и компараторе 15 напряжений,основной преобразователь 16 код-ток, выполненный на преобразователе 17 код-ток старших разрядов, преобразователе 18 код-ток младших разрядов и резистивном делителе 19 тока, триггер 20, выходной регистр 21, вычислительно-управляющий блок 22, информационную выходную шину 23. Особенностью устройства является исключение из результата преобразования температурной составляющей погрешности нелинейности основного преобразователя 16 код-ток, аддитивных и мультипликативных погрешностей аналогового коммутатора 5, повторителя 6 напряжения, управляемого масштабного преобразователя 7 напряжение-ток и блока 13 сравнения токов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ц 4 Н 03 M 1/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4260607/24-24 (22) 15.06.87 (46) 23.07.89. Бюл. Ф 27 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро "Модуль". Винницкого политехнического института и Винницкий политехнический институт (72) А.П.Стахов, А.Д.Азаров, В,И.Моисеев, В.П.Марценюк, В.Я.Стей ская В.В.Лысюк, Т,-Н.Васильева, А.Е.Рафалюк, Л.В.Крупельницкий и В.Я.Майстришнн (53) 681,325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1027815, кл. Н 03 М 1/26, 1981.

Авторское свидетельатво .СССР

У 1216827, кл. Н 03 М 1/26, 1984.

„,БО„„ 1495993 А 1 (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к области цифровой измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые. Цель — повышение точности преобразования в широком температурном диапазоне. Аналого-цифровой преобразователь содержит аналоговую входную шину 1, преобразователь 2 температуры в напряжение, источник 3 опорного напряжения, блок 4 резистивных делителей напряжения, аналоговый коммутатор 5, повторитель 6 напряжения, управляемый масштабный преобразователь 7 напряжение — ток, выполненный

РЮ

3 1495993 4

15 на аналоговом коммутаторе 8 и масштабных резисторах 9. 1-9.К, регистр

10 сдвига, вспомогательный преобразователь 11 код — ток регистр 12 после9 5 довательных приближений, блок 13 .сравнения токов, выполненный на преоб разователе 14 ток — напряжение и компараторе 15 напряжений, основной пре образователь 16 код — ток, выполнен.,ный на преобразователе 17 код — ток

,старших разрядов, преобразователе 18, код — ток младших разрядов и резис .тивном делителе 19 тока, триггер 20, Изобретение относится к цифровой ,измерительной и вычислительной тех- 20 ,нике и может быть использовано для

1 преобразования аналоговых величин в цифровые.

Цель изобретения — повышение точности преобразования в широком темпе- 25 ратурном диапазоне.

На фиг. 1 приведена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 — функциональная схема вычислигельно-управляющего блока. 30

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит аналоговую входную шину 1, преобразователь 2 температуры в напряжение, источник 3 опорного напряжения, блок 4 резистивных делителей напряжения, аналоговый коммутатор 5, повторитель 6 напряжения, управляемый масштабный преобразователь

7 напряжение — ток, выполненный на аналоговом коммутаторе 8 и масштабных 40 резисторах 9.1-9.К, регистр 10 сдвига, вспомогательный преобразователь 11 код — ток, регистр 12 последовательных приближений, блок 13 сравнения токов, выполненный на преобра- 45 зователе 14 ток — напряжение и компараторе 15 напряжений, основной преобразователь 16 код — ток, выполненный на преобразователе 17 код - ток старших разрядов, преобразователе 18

50 код — ток младших разрядов и резистивном делителе 19 тока, триггер 20, выходной регистр 21, вычислительноуправляющий блок 22 и информационную выходную нину 23.

Вычислительно-управляющий блок 22 (фиг. 2) выполнен на центральном процессоре 24, блоке 25 постоянной памяти, блоке 26 оперативной памяти, бловыходной рег истр 21, вычислительво-уlt равляющий блок 22, информационную выходную нину 23. Особенностью устройства является исключение из результата преобразования температурной составляющей погреыности нелинейности основного преобразователя 16 код ток, аддитивных и мультипликативных погреыностей аналогового коммутатора 5, повторителя 6 напряжения, управляемого масштабного преобразователя 7 напряжение - ток и блока 13 сравнения токов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. ке 27 дешифрации, устройстве 28 ввода и блоке 29 остановки-запуска, выполненном íà D-триггере.

Основной преобразователь 16 код— ток выполнен на основе избыточного измерительного кода.

В предлагаемом преобразователе в блок 25 постоянной памяти заносятся только веса некорректируемых разрядов, временным дрейфом которых можно пренебречь. Коды, им соответствующие, занимают небольшой объем памяти, При изготовлении преобразователя потребуется проводить измерения только в трех температурных точках (при нормальной температуре, максимальной и минимальной). При функционировании преобразователя при температурах, отличных от измеренных, в вычислительно-управляющем блоке вычисляются значения интересуемых параметров с использованием методов интерполяции.

Данный подход позволяет применять не термостатированный источник 3 опорного напряжения и блок 4 резистивных делителей напряжения, выходные значения напряжений которых в трех температурных точках замеряются в процессе изготовления, заносятся в блок 25 постоянной памяти и используются при вычислении в процессе непосредственного преобразования.

Особенностью преобразователя является исключение из результата преобразования температурной составляющей погрешности нелинейности основного преобразователя 16 код — ток, аддитивных и мультипликативных погреыностей аналогового коммутатора 5, «овторителя 6 напряжения, управляемого масштабного преобразователя 7 напря1495993 ключаются погреыности аналогового коммутатора 5, повторителя 6 напряжения, преобразователя 7 ток — напряжение и блока 13 сравнения токов ввиду .того, что перечисленные блоки охвачены контуром цифровой коррекции.

Абсолютные и относительные температурные погрешности масштабных резисторов 9 корректируются при помощи источника 3 опорного напряжения и блока 4 резистивных делителей напряжения.

При этом резисторы блока 4 резистивных делителей напряжения выполняются в микроэлектронном исполне.нии, абсолютный дрейф которых на 11,5, порядка выше относительного. Поэтому их относительным температурным дрейфом можно пренебречь.

Преобразователь функционирует в двух режимах: самоноверки и непосредственного преобразования.

Режим самоповерки состоит из четырех циклов.

В первом цикле определяется код, соответствуюций температуре окружающей среды. Для этого при помощи аналогового коммутатора 5 к входу повторителя 6 напряжения подключается выход преобразователя 2 температуранапряжение и происходит кодирование.

При этом результат кодирования представляет код искомой температуры, который и записывается в блок памяти.

Во втором цикле самоповерки происходит исключение погрешности нелинейности; Для этого определяются коды отклонений весов разрядов преобразователя 17 код — ток старших разрядов от требуемых значений беэ учета наклона кодируюцей характеристики.

Также определяются коды отклонений весов разрядов с учетом температуры окружающей среды и использованием метода интерполяции по Лагранжу. где U(t) текущая температура и соответствующее ей напряжение;

U — значения температуры и

1 напряжения в -м узле интерполяции; 20

k — число узлов интерполяции.

На этапе изготовления преобразователя в блок 25 памяти вычислительноуправляющего блока 22 заносятся коды, соответствующие весам "точных разрядов, измеренных образцовым средством при различных температурах (например, при нормальной, минимальной и максимальной температурах) а также к к и

ОДЫ К фд 9 К gP j 9 ° ° ° 9 д 9 СООт ветствующие опорным напряжениям А „., к ОПj 9

А „„,...,А „ 3 опорного оп j напряжения и блока 4 резистивных делителей напряжения. При определении те-". кущего значения кодов, соответствую35 щих весам "точных" разрядов или кодов, соответствуюцим опорным напряжениям, преобразователь кодирует выходное напряжение преобразователя 2 температура - напряжение и в соответствии с (1) организует вычислительный алгоритм.

В дальнейшем полученные таким образом коды используются для коррекции линейности основного преобразования кодток и коррекции мультипликативной составляющей преобразования.

При этом дополнительной погрешности за счет неточного определения кода, соответствуюцего выходному напряжению преобразователя 2 температура — напряжение, не возникает, так как его требуемая температурная чувствительность невысока.

Предлагаемый преобразователь позволяет проводить кодирование как высоких, так и низких уровней входного сигнала с высокой точностью. При этом из результата преобразования исжение — ток и блока 13 сравнения токов. Причем коррекция температурных зависимостей реальных весов для группы точных разрядов и величин опорных напряжений производится с использованием метода интерполяции. Так, практически целесообразным является интерполяция значений функции по некоторому числу экспериментально снятых точек (узлов интерполяции) . При этом, воснользовавшись9 например, методом интерполяции функций по Лагранжу, искомую функцию U(t), с любой заданной точностью, можно представить в виде многочлена

1495993

При помощи аналогового коммутатора 5 к входу повторителя 6 напряжения подХлючается шина нулевого потенциала.

Всттомогательныйт преобразователь 11

1тод — ток формирует вспомогательную аналоговую величину А>, Каждое значе1 ие аналоговой величины А 8, дважды равновешивается методом поразрядноо кодирования разрядами основного реобраэователя 16 код — ток, один аэ с запретом включения поверяемого аэряда, другой раэ без запрета. При том результаты каждого из двух коирований К и, К 1-ro разряда форми- 15 уются в регистре 12 последовательноо приближения. По мере формирования ода К производится формирование его воичного эквивалента К е при помощи

ычислительно-управляющего блока 22 2О о формуле

Р-1 де. а, — цифра i-го разряда кода К 11

1 первого результата уравновешивания;

М; — двоичный эквивалент i-го разряда.

II

Для кода К также формируется его двоичный эквивалент по формуле е 30

К =К < — 7. а"; N., (2) (/ ° 11

ti äå а. — цифра i-ro разряда кода К . .Так как в выражении (2) коды N; фавны нулю при i o и-тп+1 (содержимое

d блока памяти нулевое), то код К ра-35

Эен коду реального веса 1-ro разряда (К р =К р ) и записывается в блок 26 l памяти.

Аналогичным образом производится

Оттределение кодов реальных весов ос- 4О тальных "неточных разрядов с учетом ранее определенных кодов К

Второй цикл заканчивается определением кодов реальных весов всех ш ,11неточных" разрядов.

При дальнейшей работе в режиме

Самоповерки происходит определение аддитивной (погрешность нуля) и мульт ипликативной (погрешность масштаба) погрешностей преобразования.

В третьем цикле самоповерки происходит определение смещения нуля всего преобразователя. При этом шина нулевого потенциала подключена к входу повторителя 6 напряжения и происХодит кодирование, в процессе котороI о формируется двоичный эквивалент кода К по формуле

l1

K1= Z -" N о . о

1 где а, — цифра i-го разряда кода реэулы ата уравновешивания при кодировании при сигнале А „=0, Цикл заканчивается записью кода смецения нуля К „ в блок памяти.

В четвертом цикле самоповерки определяется и исключается мультипликативная (погрешность масштаба) погрешность преобразования.

При функционировании ттреобраэователя в этом цикле переключаются аналоговые коммутаторы 5 и 8, подключая поочередно через повторитель 6 напря1 жения опорные напряжения Л „.,Л,„., к

О11 j О11 ...,А,„ к масытабным резисторам 9.1— аП1

9.К. Далее происходит кодирование каждого иэ опорных напряжений. По мере формирования кода результата уравновешивания в регистре 12 последовательного, приближения в вычислительно-управляюцем блоке 22 формируется код масштаба К по формуле

Р и

Ке ; а, 1

11 . 1111 1 O

1=1 где a„, — цифра i ro разряда кода результата уравновешивания, р=1,2,...,К.

Затем в вычислительно-управляюцем блоке 22 вычисляется код К „ (t) с использованием соотношения (1) . После

Р получения кода K«(t) происходит дее P ление кода К,„(t) на код К . В результате деления формируется код масштабного коэффициента К, на коР торый перемножаются все коды реальных весов неточных разрядов, определенных во втором цикле и храняцихся в блоке 26 памяти вычислительноуправляющего. блока.

Таким образом, коды реальных весов неточных11 разрядов определяются с учетом наклона кодируюцей характеристики по форттуле

Цикл заканчивается записью в блок паМ мяти всех кодов К р, где они хранятся до проведения следующего цикла поверки.

Б режиме непосредственного преобразования входной аналоговый сигнал в зависимости от уровня через аналоговые коммутаторы S и 8 посту1495993 пает на вывод одного из масштабных резисторов 9 и преобразуется в рабочий код К методом поразрядного кодирования. Параллельно формирова. нию кода К в вычислительно-управляющем блоке 22 происходит формирование выходного двоичного кода с учетом кодов реальных весов, скорректированных по масштабу, и кода смецения нуля, полученных в режиме самоповерки. Скорректированный выходной код вычисляется по формуле и

К8,„= у а;М +К

1- 1,15

Затем код К 8,„ переписывается в вы ходной регистр 21 и по управляющему сигналу "Окончание преобразования" его можно считывать с выходной шины 23. На этом непосредственное пре- 20 образование заканчивается. формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразова- 25 тель, содержаций аналоговый коммутатор, первый информационный вход которого является входной аналоговой шиной, первый управляющий вход подключен к первому выходу вычислитель- 30 но-управляющего блока, первый и второй входы которого являются соответвенно входными нинами Пуск и

"Сброс", второй выход подключен к первому управляющему входу регистра сдвига, информационные выходы которого подключены к соответствуюцим входам вспомогательного преобразователя код — ток, второй управляющий вход подключен к третьему выходу вы- 4р числительно-управляющего блока, четвертый выход которого подключен к уп-, равляюцему входу регистра последовательчых приближений, пятые выходы подключены к соответствующим информа- 4 ционным входам выходного регистра, вьгходь1 которого являются выходной информационной ниной, управляюций вход подключен к шестому выходу вычислительио-.управляющего блока, третий вход которого объединен с информационным входом регистра последовательных приближений, и выходов которого подключены к соответствуюцим входам п-разрядного основного преоб55 разователя код — ток, выполненного на основе избыточного измерительного кода, выход которого подключен к первому входу блока сравнения токов, о т л и ч а ю ц и и с я тем, что, с целью повышения то чности преобразования в широком температурном диапазоне, введены преобразователь температуры в напря>кение, источник опорного напряжения, повторитель напряжения, управляемый масштабный преобразователь напря>кение — ток, триггер, блок резистивных делителей напряжения, выполненный на К последовательно соединенных резисторах, вторые выводы первого и К-го резисторов иэ которых подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и к шине нулевого потенциала, второй вывод первого резистора и первые выводы остальных К-I резисторов подключены к соответствующим входам с первого по

К-й группы информационных входов аналогового коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу преобразователя температуры в напряжение, третий информационный вход подключен к нине нулевого потенциала, второй управляющий вход объе динен с первым управляющим входом управляемого масштабного преобразователя напряжение — ток и подключен к второму выходу вычислительно-управляющего блока, выход аналогового коммутатора через повторитель напряжения подключен к информационному входу управляемого масштабного преобразователя напряжение — ток, второй управляющий вход которого подключенного к седьмому выходу вычислительно-управляющего блока, выход подключен к второму входу блока сравнения токов, третий вход которого подключен к выходу вспомогательного преобразоьателя код— ток, выход — к информационному входу триггера, первый и второй управляюцие входы которого подключены соответственно к четвертому и восьмому выходам вычислительно-управляюцего блока, третий вход которого подключен к выходу триггера, девятый выход является ниной "Окончание преобразования а четвертый вход подключен к (n+1) му выходу регистра последовательных приближений.

2 ° Преобразователь ио п. 1, о тл и ч а ю ц и и с я тем, что управляемый масштабный преобразователь напряжение — ток выполнен на аналоговом коммутаторе и К масштабных резисторах, первые выводы которых объеди-, нены и являются выходом управляемого

1495993

30 масштабного преобразователя напряжение - ток, вторые выводы подключены к соответствующим выходам аналогового коммутатора, первый и второй управляющие входы и информационный вход которого являются соответственно первым и*вторым управляющими входами и информационным входом управляемого масштабного преобразователя напряже-!

1 ние .— ток.

3. Преобразователь по п. 1, о т,личающийся тем, чтоблок сравнения токов выполнен на компарато1

:pe напряжений и преобразователе ток - 15 напряжение, вход суммирования токов которого является первым, вторым и третьим входами блока, выход подключен к первому входу компаратора напряжений, второй вход которого под- 20 ,ключен к шине нулевого потенциала, ,выход является выходом блока.

4. Преобразователь по п. 1, о ти ч а ю шийся тем, что вычисительно-управляющий блок выполнен 25 на центральном процессоре. блоке по-! стоянной памяти, блоке оперативной памяти, блоке дешифрации, устройст ве ввода, блоке остановки-запуска, выполненном Hà D-триггере, S-вход которого является первым входом блока, 0-вход подключен к шине нулевого потенциала, выход является девятым выходом блока и подключен к входу "Готовность" центрального процессора, вход "Сброс" которого является вторым входом блока, адресные выходы подключены к соответствующим адресным входам блока постоянной памяти и блока оперативной памяти и к .входам блока деыифрации, информационные входы-выходы подключены к соответствую» щим информационным выходам блока постоянной памяти, информационным входам-выходам блока оперативной памяти, выходам устройства ввода и являются пятыми выходами блока, выход "Выдача" подключен к входу записи-считывания блока оперативной памяти, вход разрешения работы которого подключен к первому выходу блока дешифрации, второй выход которого подключен к входу разрешения работы блока постоянной памяти, выходы с третьего по девятый являются .выходами блока соответственно с первого по четвертый и с шестого по восьмой, десятый выход под- ключен к входу разрешения работы устройства ввода, одиннадцатый выход подключен к тактовому входу Р-триггера, при этом информационный вход устройства ввода является третьим входом блока, а управляющий вход устройства ввода - четвертым входом блока.

1495993

Составитель В.Перников

Техред Л.Олийнык Корректор >< ыароыи

Редактор И.Шмакова

Заказ 4286/56 Тираж 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.. Ужгород, ул. Гагарина, 101