Функциональный аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится в автоматике, вычислительной технике, к функциональным преобразователям аналоговой, формы информации в цифровую и может быть использовано в контрольно-измерительных приборах, измерителях амплитудно-частотных характеристик, анализаторах спектра, селективных вольтметрах, в составе широкодиапазонных функциональных аналогоцифровых преобразователей, в качестве и в составе устройств допускового контроля уровней, затуханий, АЧХ и т.д. Цель изобретения - расширение динамического диапазона преобразуемых напряжений, повышение точности и быстродействия преобразователя . Преобразователь содержит регистр последовательного приближения, перемножающий ЦАП, шину первого и второго преобразуемых напряжений, компаратор , тактовую шину и шину запуска, выходную шину, шину Начало преобразования , шину Конец преобразования, интегратор , блок выборки - хранения. Даны примеры реализации логарифмической и степенной функциональной зависимости аналог-код, пример реализации извлечения квадратного корня из отношения двух напряжений . 1 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 М 1/62

ГОС УДАР СТ В Е ННЫ И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4751813/24 (22) 23.10,89 (46) 30.10.91. Бюл. N 40 (71) Душанбинский филиал Научно-исследовательского института "Фонон" (72) А.Д.Самойленко (53) 681,325 (088.8) (56) Ямный В.Е. Аналого-цифровые преобразователи напряжений в широком динамическом диапазоне. — Минск, БГУ им. Ленина, 1980, с. 114. 116.

Авторское свидетельство СССР

М 1248067, кл. Н 03 М 1/38, 1985. (54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится в автоматике, вычислительной технике, к функциональным преобразователям аналоговой формы информации в цифровую и может быть использовано в контрольно-измерительных приборах, измерителях амплитудно-частотных характеристик, анализаторах спектра, Изобретение относится к автоматике, вычислительной и преобразовательной технике, к функциональным, в частности логарифмическим, преобразователям аналоговой формы информации в цифровую.

Изобретение может применяться в контрольно-измерительных приборах, логарифмических микровольтметрах, анализаторах спектра, измерителях уровней, затуханий, измерителях амплитудночастотных характеристик и т.д.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона путем одновременного кодоуправляемого преобразования как

„„SU „„1688411 А1 селективных вольтметрах, в составе широкодиапаэонных функциональных аналогоцифровых преобразователей, в качестве и в составе устройств допускового контроля уровней, затуханий, АЧХ и т,д. Цель изобретения — расширение динамического диапазона преобразуемых напряжений, повышение точности и быстродействия преобразователя. Преобразователь содержит регистр последовательного приближения, перемножающий ЦАП, шину первого и второго преобразуемых напряжений, компаратор, тактовую шину и шину запуска, выходную шину, шину "Начало преобразования", шину "Конец преобразования", интегратор, блок выборки — хранения. Даны примеры реализации логарифмической и степенной функциональной зависимости аналог-код, пример реализации извлечения квадратного корня из отношения двух напряжений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. первого, так и второго преобразуемых напряжений, улучшение точности преобразования путем взаимной коррекции погрешностей блоков, преобразующих уровни первого и второго входных напряжений, улучшение быстродействия преобразования путем параллельного (одновременного) кодоуправляемого преобразования как первого, так и второго входных напряжений, На чертеже изображена структурная схема функционального аналого-цифрового преобразователя.

Функциональный аналого-цифровой преобразователь (фиг,1) содержит регистр 1

1688411 последопзгельного приближения (РПП), перемножающий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 2, компарзтор 3, интегратор

4, блок 5 выборки — хранения (БВХ), шину б первого преобразуемого напряжения, соединенную с первым входом ЦАП 2, шину 7 второго преобразуемого напряжения, соединенную через интегратор 4 и БВХ 5 с вторым входом ЦАП 2, шину 8 запуска, соединенную с входом запуска РПП 1, тактовую шину 9, соединенную с тактовым входом

РПП 1, шину 10 "Конец преобразования" и выходную шину 11, первый выход ЦАП 2 соединен с первым входом компаратора 3, второй выход ЦАП 2 соединен с вторым входом компаратора 3, выход которого соединен с информационным входом РПП 1, выход "Конец преобразования" РПП 1 соединен с шиной 10 и управляющим входом интегратора 4. выход "Начало преобразования" РПП 1 соединен с управляющим входом БВХ 5, информационные выходы РПП 1 соединены с разрядными входами ЦАП 2 и с выходной шиной 11, ЦАП 2 выполнен двухканальным функциональным (ДФЦАП) и содержит дискретно управляемый аттенюатор (ДУА) 12, имеющий первый 13 и второй 14 цифровые входы, первый вход 15 ДФЦАП 2 соединен с его первым выходом 16 через ДУА 12, блок

17 инверторов, дискретно управляемый усилитель (ДУУ) 18, имеющий первый 19 и второй 20 цифровые входы, второй вход 21

ДФЦАП 2 соединен с его вторым выходом

22 через ДУУ 18, разрядные входы ДФЦАП

2 через блок 17 инверторов соединены с первыми входами 13 и 19, а непосредственно с вторыми входами 14 и 20 соответственно ДУА 12 и ДУУ 18.

Функциональный аналого-цифровой 40 преобразователь (фиг,1) работает следующим образом.

Первое преобразуемое напряжение U1 поступает на шину б, второе Uz — на шину 7.

На шину 8 подаются импульсы запуска, при- 45 вязанные к тактовой последовательности шины 9. РПП 1 формирует два импульса—

"Начало преобразования" и "Конец преобразования". Первым иэ них, поступающим

50 на БВХ 5, осуществляется запись нового значения напряжения, накопленного интегратором 4 эз предыдущий цикл преобразования. Импульсом "Конец преобразования" сбрасывается интегратор 4, а по 3,"вершении этого импульса вновь начинает интегрировать напряжение Uz, Результат интегрирования е т K .öå.. цикле преобрзования будет использован в последующем цикле преобразования. 1Iзнряженп . О, может из леняться в широком дин; .;ичеслом диапазоне, а наличие B его цепи интегратора 4 допускает наличие на входе шины 7 значительной шумовой составляющей.

РПП 1 в начале преобразования устанавливает во всех разрядах нули, а по окончании выборки в БВХ 5 — последовательно подает "1", начиная со старшего разряда, и работает по известному методу поразрядного уравновешивания, При изменении выходного кода Н РПП 1 по мере поразрядного уравновешивания одновременно изменяются выходные напряжения Оэ1 и Озг соответственно ДУА 12 и ДУУ 18, поступающие на входы компарзтора 3, и результат их сравнения в текущем такте работы РПП 1 компаратором 3 заносится в соответствующий разряд РПП 1 через его информационный вход. При изменении бита на z-м разряде (z) = (1,2,3,...,N) РПП 1 дифференциальное напряжение входов компаратора 3 изменяется на величину Uz. Поскольку в общем случае требуемая зависимость выходного кода Нв АЦП от входных напряжений функциональная

Hl = Нт (01, Uz) то приращение О зависит от текущего кода

Н РПП1

Uz =- Uz (Н). (1)

В простейшем случае каждое приращение (1) формируется одной ячейкой, входящей либо в состав ДУА 12, либо ДУУ 18.

Поэтому каждый из блоков 12 и 18 при заданном числе разрядов устройства содержит N/2 последовательно включенных ячеек, что обуславливает уменьшение времени установления напряжений Оэ1 и Оз2 (при заданной точности) на входах компаратора 3 в два раза и улучшение быстродействия устройства. С другой стороны, при заданном быстродействии устройства, определяемом тактовой частотой на шине 9, эа один такт (период тактовой частоты) установление входных напряжений компаратора 3 происходит с меньшей погрешностью.

Возможны промежуточные варианты, когда при некотором увеличении тактовой частоты достигается одновременное улучшение быстродействия и улучшение точности преобразования.

Отметим, что минимальная погрешность преобразования реализуется устройством при изменении напряжения U1 в диапазоне, равном диапазону измерения коэффициента передачи Дд ДУА 12, и при изменении напряжения Uz в диапазоне, равном суммарному Дд и диапазона изменения коэффициента передачи ДУУ 18Ду.

Наличие искретно управляемого усилителя

18 в цепи напряжения Uz позволяет при укаэанных сочетаниях входных напряжений увеличить синфазное напряжение входов компаратора 3 и тем самым уменьшить влияние его напряжения смещения на точность преобразования.

1688411 женному в логарифмических единицах усилению ДУУ 18, равно

- 0 (5) (4) Формирование величин (1) младших разрядов с номерами 1 осуществляется дискретно управляемым аттенюатором (12) в соответствии с выражением

0 =0(.— Uik (2) 10

Первое слагаемое обеспечивается одним разрядом первого входа 13 ДУА 12, соединенным с выходом 1-го инвертора, а второе слагаемое — одним корректирующим разрядом второго входа 14 ДУА 12, соединенного с входом l-го инвертора. Выражение (2) описывает самокоррекцию в ДУА 12 величины 04 с помощью величины0 для уменьшения погрешности формирова- 20 ния Ui.

Формирование величины (1) старших разрядов с номерами J осуществляется дискретно управляемым усилителем 18 и дискретно управляемым аттенюатором 12 в соответствии с выражением

0 = Ug-Ug oIk. (3)

Первое слагаемое обеспечивается одним разрядом первого входа 19 ДУУ 18, соединенным с выходом J-го инвертора, вто- 30 рое слагаемое — корректирующим разрядом второго входа 20 ДУУ 18, соединенного с входом J-го инвертора. Третье слагаемое обеспечивается корректирующим разрядом либо первого входа 13 ДУА 12, соединен- 35 ным с выходом J-го инвертора (знак "плюс" в (3)), либо корректирующим разрядом второго входа 14 ДУА 12, соединенным с входом J-го инвертора (знак "минус" в (3)).

Выражение (3) описывает самокоррекцию 40 погрешностей в ДУУ 18 (слагаемое Ug) и взаимную коррекцию ДУУ 18 с помощью

ДУА 12 (слагаемое 0ф.

Пример 1. Логарифмическая характе- 45 ристика устройства аналог — код. В этом случае величины (1) и корректирующие величины в (2) и (3) удобнее выражать в единицах затухания.

Затухание ДУА 12 (фиг.1)

А(Н) =alog. ", где а — коэффициент; а — основание логарифма.

При a=20 и а-10 величина(4) выражена в децибелах.

Затухание напряжения 02 относительно напряжения 0зг (без потери общности коэффициенты блоков 4 и 5 (фиг.1) приняты равными единице), численно равное выра(8) В конце преобразования текущего цикла выходной код РПП 1 Н = Нт, напряжение на входах компаратора 3

031Ф032. (6)

Из (4) и (5) следует

01

03! д ГНТ17 у (7) а

0 = 0 . а ("тУа

С учетом (7) иэ (6) вытекает

01 (А (нт) + Ь (Н,))/а (9)

02 или после логарифмирования а! оц — = А (Нт) + Ц (Нт), (10)

01 где величина

С(Нт) - А(Нт) + В(Нт) (11) показывает затухание напряжения Uz по отношению к напряжению U1.

При линейной связи

С(Н) ч Н, (12) где ч — разрешающая способность логарифмического АЦП, выходной код из (9), (10) и (11)

Нт = — а o9a д— и1 (13) ч 02 пропорционален логарифму отношения преобразуемых напряжений и показывает затухание напряжения 02 по отношению к 01.

ДУА 12 и ДУУ 18 могут быть реализованы аналогично авт.св. СССР М 1487189. В

ДУА 12 цифроаналоговые преобразователи код — ток и операционные усилители соединены по схеме с ослаблением. В ДУУ 18 ЦАП и ОУ соединены по схеме с усилением, В ДУА 12 предусматриваются разряды в весами А1 первого входа 13, корректирующие разряды А1к первого входа 13 либо второго входа 14, корректирующие разряды с весами А1к второго входа 14.

В ДУУ 18 предусматриваются разряды с весами В1О первого входа 19 и корректирующие разряды В1к второго входа 20. Указанные величины рассчитывают аналогично авт.св. СССР М 1487189. Величины А о и Аа выбирают из дискретного множества (A} реализуемых ДУА 12 перепадов ослабления в соответствии с

А1 - Ale-А1к =CI, (14) где С1 — требуемый перепад затухания, управляемый битом 1-го разряда ДФЦАП 2.

Погрешность выражения (14)

4 - Ai Ci (15)