Биполярный аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве самостоятельного модуля или составной части устройств, в которых осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды преобразователя. Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается введением в аналого-цифровой преобразователь дополнительного компаратора, цифрового переключателя, коммутатора и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, что позволяет обеспечить идентичность преобразования положительных и отрицательных входных величин, ликвидировать погрешности, обусловленные переходными процессами при переключении разрядов цифроаналогового преобразователя, компенсировать аддитивную и уменьшить мультипликативную составляющие погрешности цифроаналоговых преобразователей, а также устранить влияние дрейфа порога срабатывания компараторов в пределах одного кванта на точность аналого-цифрового преобразования. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (511 4 Н 03 М 1/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

r1Q ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ- СССР (21 ) 43201 7 2/24-24 (22) 31,08;87 (46) 07.11.89. Бюл, М 41 (71) Институт кибернетики им.В.М.Глушкова (72) И ° В ° Самус (53) 681. 325 1088.8 )

{56) Авторское свидетельство СССР

11- 1018231, кл. Н 03 М 1/46, 1981.

Цифровые электроизмерительные приборы./Под ред.В,М.Ыпяндина, 1972, с.27!-272, рис.б-19. (54) БИПОЛЯРНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве самостоятельного модуля или составной части устройств, в которых осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифроИзобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве самостоятельного модуля или составной части устройств, в которых осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды, Цель изобретения — повьппение точ" ности преобразователя.

На чертеже изображена структурная схема аналого-цифрового преобразователя.

Преобразователь содержит триггер

1, аналоговое запоминающее устройст2 вые коды преобразователя. Цель изобретения — повьппенне точности. Цель достигается введением в аналого-цифровой преобразователь дополнительного компаратора, цифрового переключателя, коммутатора и элемента ИСКЛ!0ЧАИЩЕЕ ИЛИ, что позволяет обеспечить идентичность преобразования по-, ложительных и отрицательных входных величин,-ликвидировать погрешности, обусловленные переходными процессами при переключении разрядов цифроаналогового преобразователя, компенсировать аддитивную и уменьшить мультипликативную составляющие погрешности цифроаналоговых преобразователей, а

Я а также устранить влияние дрейфа порога срабатывания компараторов в пределах одного кванта, на точность аналого-цифрового. преобразования. : С

1 ил. во 2, сумматор 3, тактовый генератор

4, первый 5 и второй 6 компараторы (n+I )- разрядный распределитель 7 тактовых импульсов (и — число разрядов предлагаемого аналого-цифрового преобразователя), коммутатор 8, элемент ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, первый 10 и второй 1Г (и+1)-разрядные регистры, первый и-разрядный цифроаналоговый нреобразовате ь (ЦАП) 12, цифровой переключатель 13 и второй и-разрядный ЦАП 14.

Компараторы подобраны по критерию идентичности параметров.

1 520658

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом, В исходном состоянии на выходе триггера 1 установлен уровень логического "0", что запрещает прохождение тактовых импульсов с выхода тактового генератора 4 на счетный вход распределителя 7 тактовых импульсов..

С приходом запускающегО импульса на установочные входы распределителя 7 тактовых импульсов первого 10 и вто- рого 11 регистров на их выходах устанавливаются уровни логического

"О", что, в свою очередь, вызывает появление нулевых уровней напряжения на выходах первого,!2 и второго 14

ЦАП и, соответственно, на выходе сумматора 3. этим же импульсом разрешается запоминание преобразуемого напряжения в аналоговом запоминающем устройстве. 2, а также взводится триггер 1. При этом разрешается прохождение тактовых импульсов с выхода тактового генератора 4 на вход распреде- 25 лителя 7 тактовых импульсов. По окончании запускающего импульса процесс запоминания в аналоговом запоминающем устройстве 2 прекращается. Таким образом, на неинвертирующем вхо- 30 де основного 5 и инвертирующем Вхо де дополнительного 6 компараторов устанавливается значение преобразуе. — . мого напряжения, а на инвертирующем входе основного 5 и неинвертирующем входе дополнительного 6 компараторов — значение напряжения, снимаемо- а го с выхода сумматора 3 которое равно сумме выходных напряжений первого ЦАП 12, вырабатывающего напряжение положительной полярности, и вто40 рого ЦАП 14, вырабатывающего напряжение отрицательной полярности. B первый момент напряжение на выходе сум- матора 3 равно нулю, Если не. учитывать дрейф порога . 45 срабатывания, то компаратор 5 должен реализовать функцию

ЧАп< а компаратор 6, по роду своего включения, функцию где а — логическое состояние на

Ак выходе компаратора 6.

С учетом дрейфа пороги срабатывания компараторов 5 и 6 смещены от-. носительно нуля, но, в связи с принятым способом соединения входов компараторов, смещены в противоположных направлениях, что используется для формирования третьего состояния, которое соответствует равенству сравниваемых напряжений с точностью до кванта. В этом случае на выходах компараторов 5 и 6 устанавливаются идентичные логические состояния, что и фиксируется элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 9,на выходе которого устанавливается состояние логического "О".

Тем самым блокируется прохождение сигнала с выхода компаратора 5 на выходы коммутатора 8, а состояние выходов коммутатора 8 определяется знаковым выходом цифрового переключателя 13, т,е, реализуется функция.. где а<

r(Vвх)1, при Ов„

О, при.U Ä e U

1,приБ„>0

О,приО „ 0 вх) де аок

ВХ логическое состояние на выходе компаратора 5; значение преобразуемого напряжения; суммарное значение выходных напряжений первого 12 и второго 14 ЦАП

1 ю пРи 11вх 6 — a.

ДК О, IIP«SÕ > Б

1 е и Цвх"-Ц + ЦЗ, (Uвх)»,если Ж:г. +Up)a U „

О, если U 6-(U + U ) логическое состояние на прямом выходе коммутато- ра,8; напряжение, дрейфа порога срабатывания компараторов

5 и 6, причем должно выполНЯтьсЯ условие Ug U где U значение напряжения кванта; единичная функция, определяемая как

Так как дрейф порога срабатывания компараторов имеет место в любом случае, то величина зоны третьего состояния заведомо не равна кулю.

5 1520б

С приходом фронта первого тактового импульса состояние прямого и инверсного выходов коммутатора 8, которое на прямом выходе, если не установлено третьей состояние, тождественно состоянию выхода компаратора 5, а на инверсном — противоположно ему> записывается соответственно в первые .разряды первого 10 и второго 11 ре-> 10 гистров. Причем, если преобразуемое напряжение положительно, то на выходе компаратора 5 устанавливается "1", так как U 5„ > 11,, которая и записывается в первый регистр 10, тем самым включается первый разряд ЦАП 12.

Во второй регистр 11 записывается

"0", и первый разряд ЦАП 14 не включается. Если преобразуемое напряжение отрицательно, то на выходе компара— тора 5 устанавливается уровень "0", так как U „(Uz,, и в этом случае в первый разряд . первого регистра 10 записывается "0", а второго — "1", что приводит к включению первого разряда IlAII 14 и не включению первого разряда ЦАП 12. Таким образом, определяется знак преобразуемого напряжения.

Как только определена полярность преобразуемого напряжения, цифровой переключатель 13 подключает выходы преобразователя к выходам первого регистра 10 при положительной полярности или к выходам второго регистра 11 в случае отрицательной поляр— ности»

По фро нту в то ро ro т ак то в ого импульса.во вторые разряды регистров

10 и 11 записывается следующий результат сравнения преобразуемой величины и суммы выходных величин ЦАП

12 и 14. При этом, если преобразуемая величина по абсолютному значению больше значения сумм вь|ходных величин ЦАП 12 и 14, то включается второй разряд ЦАП 12 и не включается второй разряд IJAII 14, если меньше, то не включается второй разряд ЦАП 12 и включается второй разряд ЦАП 14.

Определение остальных разрядов кода происходит аналогично, е той лишь разницей, что при возникновении третьего состояния — состояния искусственного нуля, на прямом выходе коммутатора 8 устанавливается уро° вень "1" в .случае положительной полярности преобразуемой величины и

58 6 уровень "0" в случае отрпц. тс.п полярности, независимо от состояj;!1, сигнала на выходе компаратор» 5, ч Т0 и определяет включение или не в кжочение соответствующих разрядов ЦАП 12 и 14. С приходом фронта (и+1?-го тактового импульса в первый 10 и второй 11 регистры записывается зна-чение последнего разряда кода и од- новременно сбрасывается триггер 1.

Прохождение тактовых импульсов запрещается и процесс аналого-цифрового преобразования прекращается.

Результат преобразования снимается с выходов цифрового переключателя 13, Повышение точности предлагаемого биполярного аналого-цифрового пре— образователя достигается за счет отслеживания ситуации, когда модуль разности преобразуемой величины и суммы выходных величин ЦАП становится меньше значения кванта и приближается к нулю. Причем сама зона,в которой отслеживаются эти ситуации, создается за счет дрейфа порога срабатывания основного и дополнительного компараторов, поскольку значения этого дрейфа при идентичности параметров компараторов пр ц ерно равны, но из-за принятого способа включения входов компараторов их пороги срабатывания смещаются в противоположные направления, Идентичности параметров компараторов можно добиться либо подбором компараторов в пары, либо исполнением их в одном корпусе на одном кристалле. Тем более, что неОбходимо и достаточно лишь, чтобы в каждом отдельном компараторе дрейф происходил в одном направлении, а величины этих дрейфов были примерно равны. При этом предполагается, что начальное смещение порогов срабатывания компараторов скомпенсировано. Так как в реальных компараторах дрейф всегда имеет место, то величина зоны третьего состояния не ранна нулю в любом случае. Признаком попадания в зону является формирование на выходах компараторов одинаковых логических состояний: состоянию логического "0" на выходах компаратог ров соответствует смещение порога срабатывания первого компаратора вправо от нуля, а второго — влево, состояние "1" возникает при смещении

В противоположных предыдущему слу

1520658 чаю направлениях, При этом область зопы можно интерпретировать как третье состояние составного компаратора, искусственный нуль его характе5 ристики.

Наличие третьего состояния, позволяет отслеживать ситуации, когда разность между преобразуемой величиной и величиной суммы напряжений на выходах ЦАП меньше кванта и приближается к нулю, В этом случае соответствующий разряд формируется в зависимости от полярности преобразуемой величины, тем самым устраняется не- 15 идентичность преобразования отрицательных и положительных величин.

Наличие третьего состояния позволяет устранить влияние дрейфа порогов срабатывания компараторов на погрешность аналого-цифрового преобразователя, так как дрейф порогов срабатывания компараторов в ту или иную сторону, если он не превышает значе20 ния кванта, лишь изменяет в пределах 25 кванта величину зоны, в которой фиксируется третье состояние, что не влияет на результат преобразоВания, поскольку сравнение двух величин возквант. Так, например, при 16-разряд- 45 ном аналого-цифровом преобразовании и максимальном значении преобразуемого напряжения, равном 10 В, величина кванта составит 153 мкВ.

Дрейф порога срабатывания компаратора в известном аналого-цифровом преобразователе, что всегда возможно, так как определение корректируемой величины и процесс коррекции разнесены во времени хотя бы в преЭ

55 делах 5-10 мкВ уже вызывает погрешность в один квант. В предлагаемом преобразователе погрешность в один квант появляется лишь в можно только с точностью до кванта.

Речь идет о несмещенной на величину, . равную половнне кванта, передаточной характеристике преобразователя, хотя аналогичные рассуждения справедливы и в случае такого смещения, так как это смещение не. влияет на суть рассматриваемого явления. В то же время даже малейший дрейф порога срабатывания, превышающий зону нечувствительности кампаратора, в известных 40 аналого-цифровых преобразователях независимо от того имеет ли данный компаратор гистерезис илн нет, приводит к погрешности минкчум в один том случае, если величина дрейфа порога срабатывания компаратора превы-, шает значение кванта, т.е. значение

153 мкВ, Кроме того,, точность повышается благодаря соединению выходов ЦАП имеющих идентичные параметры и противоположные по знаку выходные напряжения, ввиду компенсации аддитивной составляющей погрешности этих ЦАП и уменьшения мультипликативной составляющей погрешности. Причем в соответствии с принятым алгоритмом отсутствует переключение разрядов ЦАП, поскольку эти разряды либо включаются, либо не включаются, что снижает динамические погрешности, обусловленные переходными процессами.

Использование изобретения позволяет создавать аналого-цифровые преобразователи, в которых величина кванта того же порядка, что и величина дрейфа порога срабатывания компаратара, l

Формула изобретения

Биполярный аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговое запоминающее устройство, информационный вход KoTDpQFQ является входной шиной, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, входы которых соединены с выходами соответствующих первого и второго регистров, установочньж входы которых объединены, а информационные входы подключены к соответствующим выходам группы выходов распределителя тактовых импульсов, информационный. вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход сумматора соединен с инвертирующим входом первого компаратара, а т л и ч а ю— шийся тем, чта., с целью павьппения точности преобразователя, в него введены второй компаратор, коммутатор, элемент ИСКЛ1ОЧА1ОЩЕЕ ИЛИ, цифровой переключатель . и триггер, первый вход которого объединен с установочными входами распределителя тактовых импульсов аналогового запоминающего устройства и первого регистра и является шиной пуска, а выход подключен к входу тактового генератора, второй вход триггера соединен с последним выходом распределителя

1520650

Составитель В.Махнанов

Редактор И.Шмакова . Техред Л.Сердюкова Корректор Э,Лончакова

Заказ 6769/57 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 тактовых импульсов, выход аналогового запоминающего устройства соединен с неинвертирующим входом первого и инвертирующим входом второго

5 компараторов, неинвертирующий вход последнего соединен с выходом сумматора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, 10 выход которого подключен к первому входу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом первого . компаратора, а третий вход — с выходом знакового разряда цифрового переключателя, остальные выходы которо" го являются информационной выходной шиной, а первая и вторая группы информационных входов соединены соответственно с выходами первого и второго регистров, дополнительные входы которых соединены с первым и вторым управляющими входами цифрового переключателя, а первый и второй входы записи регистров соединены соответственно с прямым и инверсным выхо дами коммутатора.