Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерительных приборах и информационно-измерительных системах. Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности аналого-цифрового преобразователя . Поставленная цель достигается тем, что в известный аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа с высокой разрешающей способностью (16 бит и более), работающий по трехтактному принципу с переменной крутизной интегрирования , вводятся аналоговый коммутатор 1. источник 2 вспомогательного напряжения, компаратор кода 7, управляемый источник 13 постоянного тока, третий элемент И 21 и счетчик 24 коррекции, предназначенные для компенсации нелинейности, вызванной погрешностью соотношения токов источников постоянного тока старших и младших разрядов, обеспечивающих разряд конденсатора интегратора на втором и третьем тактах работы аналого-цифрового преобразователя, что повышает точность аналого-цифрового преобразователя. Повышение помехозащищенности аналого-цифрового преобразователя происходит вследствие того, что компенсация нелинейности на этапе коррекции в каждом цикле коррекции производится на величину, много меньшую погрешности линейности аналого-цифрового преобразователя, поэтому помехи возникающие на этапе коррекции, практически не влияют на процесс компенсации нелинейности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. у Ј О Ч 2 чэ о Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (!!) Ф (s!)s Н 03 M 1/10, 1/54

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Э, г

«t

V . " " " 1г л пу

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4663186/24 (22) 17,03.89 (46) 30.11.91. Бюл. Q 44 . (71) Московское научно-производственное объединение "Измеритель" (72) А.fl.Ðàêaåâ, В.И.Диденко, Б.Б.Клишко, В.М.Капустин и А.П.Быков (53) 681.325(088.8) (56) Прянишников В.А. Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока. Л:

Энергия, 1976, с. 54, рис. 1 — 22.

Икуро Х, и др. Быстродействующие и дешевые аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи. "Денси дзайре", 1982, т. 21. М 12, с. 64 — 71, 33. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерительных приборах и информационно-измерительных системах. Целью изобретения. является повышение точности и помехозащищенности аналого-цифрового преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в известный аналого-цифровой преобразователь интегрирующего типа с высокой разрешающей способностью (16 бит и более), работающий по трехтактному принципу с переменной крутизной интегрирования, вводятся аналоговый коммутатор 1. источник 2 вспомогательного напряжения, компаратор кода 7, управляемый источник

13 постоянного тока, третий элемент И 21 и счетчик 24 коррекции, предназначенные для компенсации нелинейности, вызванной погрешностью соотношения токов источников постоянного тока старших и младших разрядов, обеспечивающих разряд конденсатора интегратора на втором и третьем тактах работы аналого-цифрового преобразователя, что .повышает точность 3 аналого-цифрового преобразователя. Повышение помехозащищенности аналого-циф- рового преобразователя происходит вследствие того, что компенсация нелинейности на этапе коррекции в каждом цикле, Я вЂ” коррекции. производится на величину,много меньшую погрешности линейности анало

ro-цифрового преобразователя, поэтому помехи„возникающие на этапе коррекции.. О практически не влияют на процесс компен- О сации нелинейности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. (Я

1695499

Изобретение относится к цифровой электронно-измерительной технике и может быть использовано вцифровых измерительн ых системах.

Целью изобретения является повышение точности и помехозащищенности преобразователя.

На фиг,1 представлено устройство, блок-схема; на фиг.2 — управляемый источник постоянного тока, вариант схемы; на фиг.З вЂ” временные диаграммы работы предлагаемого АЦП; на фиг.4 — то же выходного напряжения интегратора, где а — в режиме первого этапа коррекции, б — в режиме второго этапа коррекции, на фиг.5 — пример использования в качестве блока управления — микроЭВМ; на фиг.б и 7 — алгоритм, блоксхема.

Аналого-цифровой и реобразовател ь (АЦП) содержит (фиг.1) аналоговый коммутатор 1, источник 2 вспомогательного напряжения, первый резистор 3, первый и второй ключи 4 и 5, первый источник 6 постоянного тока, компаратор кода 7, второй резистор 8, трет ий ключ 9, второй источник 10 постоянного тока, конденсатор 11 и операционный усилитель 12, образующие интегратор, управляемый источник 13 постоянного тока, блок 14 управления, источник 15 опорного напряжения, первый и второй компараторы

16 и.17, генератор импульсов 18, первый 19, второй 20 и третий 21 элементы И, счетчик

22 старших разрядов, счетчик 23 младших разрядов, счетчик 24 коррекции.

Вариант схемы (фиг.2) управляемого источника 13 постоянного тока содержит элементы И 25 и 26, источник 27 дополнительного напряжения, реверсивный счетчик 28, операционный усилитель

29, преобразователь кода в сопротивление

30, транзистор 31, АЦП работает следующим образом.

По команде "Пуск" (диаграмма Б, фиг,Ç) происходит обнуление счетчиков 22,23 и 24, и аналоговый коммутатор 1 подключает Ох на вход АЦП (диаграмма И, фиг.3), После этого замыкается первый ключ 4 (диаграмма

В, фиг.3) и происходит запоминание на конденсаторе 11 интегратора измеряемого напряжения Ux (при равенстве сопротивлений резисторов З.и 8).

Затем по команде блока управления 14 (диаграммы Г и Д, фиг.З) замыкается второй

5 и третий 9 ключи, и начинается разряд конденсатора 11 (фиг.4а) первым 6 и вторым

10 источниками постоянного тока до срабатывания первого компаратора 16. После срабатывания первого компаратора 16 по истечении текущего периода тактовой часОост С мл

30 ется соотношение токов первого и второго источников постоянного тока как (2 - 1): 1 или It /1г = 511, В этом случае счетчик 22

35 вырабатывает 7 старших разрядов, а счетчик 23 — 9 младших разрядов выходного кода АЦП (М).

При переполнении счетчика 23 происходит перенос в счетчик 22 и погрешность не

40 возникает. Точность отношения токов должна быть не хуже величины 2 "0 (+0,1 ) c тем, чтобы погрешность линейности, вызванная этим, не превышала половины единицы младшего значащего разряда АЦП. Обеспе45 чить такую точность соотношения токов для

16 разрядных АЦП на практике затруднительно, а для 17 и более разрядных на современном уровне развития технологии невозможно, В данном устройстве для достижения требуемой точности соотношения токов 11 и

1г используется коррекция функции преобразования, состоящая из двух этапов.

После подачи сигнала "Коррекция" (ди55 аграмма М, фиг.З) на первом этапе по команде от блока управления 14 аналоговый коммутатор 1 подает на вход АЦП вместо Ux выходное напряжение Up источника 2 вспомогательного напряжения, причем Up > Upp.

25 тоты происходит размыкание второго ключа

5.

Остаточное напряжение О,ст на конденсаторе 11 равно

Оост =Ох С (If+!г), 1ст to причем Оост Ооо, где I и Iz — токи первого и второго источников постоянного тока 6 и 10 (обычно выбирают I » !г); йст — код старших разрядов — число импульсов, прошедших на счетчик 22 (диаграмма Е, фиг.3);

tp — период тактовой частоты (диаграмма А, фиг,З);

С вЂ” емкость конденсатора 11;

О,„ — выходное напряжение источника

15 опорного напряжения, Дальнейший разряд конденсатора происходит только с помощью второго источника 10 тока,при этом число импульсов NM<, прошедших на счетчик 23, равно (диаграмма

Ж, фиг.З);

Вариант реализации 16 разрядного

АЦП на основе данного принципа. Выбира1695499

Далее происходит преобразование UD в выходной код N аналогично преобразованию

Ux, описанному выше, На втором этапе по команде от блока управления 14 вторично происходит sanoминание Uo на конденсаторе 11 интегратора. В отличие от первого этапа второй ключ

5 постоянно разомкнут и разряд конденсатора 11 происходит только током!2 (фиг.4,6).

При этом заполняется счетчик 24 коррекции (диаграмма 3, фиг.3) до момента срабатывания компаратора 17. Получившиеся на выходах счетчиков 22,23 и 24 коды поступают на входы компаратора кода 7, который вырабатывает сигналы "Больше", "Меньше" или

"Равно".

Если вырабатывается сигнал "Равно", то коррекция прекращается и вырабатывается сигнал готовности АЦП к работе (диаграмма К, фиг..3), если. же вырабатываются сигналы "Больше" или "Меньше" (диаграмма Н, фиг.3), то происходит соответственно, уменьшение ("декремент") или увеличение ("инкремент") содержимого в счетчике 28 (диаграмма Л, фиг.3). В соответствии с выходным кодом счетчика 28 происходит уменьшение или увеличение выходного тока управляемого источника 13 постоянного тока.

Циклы коррекции повторяются до тех пор, пока не будет получен сигнал "Равно" от компаратора кода 7 (уровень логической

"1" — диаграмма Н, фиг.3).

Наклон характеристики в идеальном случае (сплошная линия на фиг,4 а) равен наклону характеристики в идеальном случае (сплошная линия на фиг.4 6) при формировании N л. Аналогично для характеристик в реальном случае (штриховая линия на фиг.4 аи 6).

Источники напряжения 2 и 27 могут быть реализованы на основе обычного источника образцового сигнала, состоящего из параметрического стабилизатора и операционного усилителя (например, К140УД7).

В качестве блока управления используется микроЭВМ.К 1816ВЕ48, подключение которой к устройству представлено на фиг,5, а алгоритм коррекции, осуществляемый в микроЭВМ, представлено на фиг.б и

7, причем входом АЦП "Пуск" является шина

О В2 первого порта, сигналами обнуления или сброса счетчиков 22,23 и 24- соответственно сигналы на шинах P 13 и P 14 второго порта, сигналом управления блоком 1 — сигнал на шине P 24 третьего порта.

В режиме "Коррекция" после запуска системы оператором или команды "Сброс", блок 14 выполняет обращение к ПЗУ по на5

55 чальному адресу программы. Программа начинается с процедуры инициализации, которая содержит команды загрузки внутренних регистров микропроцессора и содержит команды начальной установки блоков АЦП, При этом блок 1 обязательно подключает к первому резистору (блок 3) выход блока 2.

В определенный момент времени(пункт

23 пояснений, фиг.7) блок.1 подключает к первому резистору (блок 3) "Вход" и АЦП переходит в режим слежения за напряжением Ux и при подаче сигнала (пункт 24 пояснений, фиг.7) "Пуск" АЦП переходит в режим

"Измерение", алгоритм которого соответствует последовательности операций на фиг.6 и 7, Для повторной процедуры коррекции необходимо опять подать команду "Сброс" (пункт 1 пояснений, фиг,6) и сигнал "Коррекция" (пункт 17 пояснений, фиг.7). В режиме измерения сигналы выдаются не только на выходах 1,3 и 9 блока 14, но и на 2,11,4,10 и

8, Сигналы на выходах 3,1 и 9 блока 14 соответствуют сигналам сброса счетчиков 22 и

23, разрешение или блокировка блока 19 и замыкание или размыкание ключа 5, Они вырабатываются блоком 14 не только в режиме "Измерение" (фиг.6 и 7, но и в режиме

"Коррекция". В последнем случае на втором этапе работы АЦП (фиг.3) сигнал сброса на выходе 3 блока 14 отсутствует, блок 14 заблокирован сигналом с выхода 1 блока 14, и сигнал с выхода 9 блока 14 соответствует разомкнутому ключу 5 (пункты 16 — 23, фиг,7).

Шина обнуления счетчиков 22 и 23 не связана с шиной обнуления счетчика 24, Это необходимо потому, что по желанию оператора для повышения быстродействия режима "Коррекция" счетчики 22,23 и 24 могут обнуляться не одновременно.

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий токоограничивающие элементы, выполненные на первом и втором резисторах, первый и второй источники постоянного тока, первый, второй и третий ключи, первый и второй компараторы, источник опорного сигнала, первый и второй элементы И, счетчики старших и младших разрядов, блок управления, генератор импульсов и интегратор, вход которого подключен через первый ключ к точке соединения первых выводов первого и второго резисторов, а через второй и третий ключи — к выходам первого и второго источников постоянного тока соответственно, входы которых являются общей шиной, выход интегратора подключен к первым входам первого и второго компараторов и второму выводу второго резистора, вторые

1695499 входы первого и второго компараторов подключены соответственно к выходу источника опорного напряжения и общей шине, выход первого компаратора подключен к первому входу первого элемента И, выход второго компаратора — к первому входу второго элемента И, вторые входы элементов И соединены с выходом генератора импульсов, третьим входы — с первым и вторым выходами блока управления, соответственно, выход переноса счетчика младших разрядов соединен с первым входом счетчика старших разрядов, выход первого элемента

И подключен к второму входу счетчика старших разрядов, выход второго элемента И подключен к первому входу счетчика младших разрядов, третий выход блока управления подключен к третьему входу счетчика старших разрядов и второму входу счетчика младших разрядов, соответственно, а четвертый выход — к входууправления первого ключа, а выходы счетчиков старших и младши>< разрядов являются выходной шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены источник вспомогательного напряжения, третий элемент И, счетчик коррекции, компаратор кода, управляемый источник постоянного тока и аналоговый коммутатор, первый информационный вход которого является входной шиной, а выход — подключен к второму выводу первого резистора, второй информационный вход аналогового коммутатора подключен к выходу источника вспомогательного напряжения, выход генератора импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, выход второго компаратора соединен с вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом счетчика коррекции, выходы которого подключены к . соответствующим первым входам компаратора кода, вторые входы которого являются выходной шиной, а первый и второй выходы компаратора кода подключены соответственно к первому и второму входам управляемого источника постоянного тока, выход которого соединен с выходом второго источника постоянного тока, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый выходы

5 блока управления соединены соответственно с третьим входом третьего элемента И, с вторым входом счетчика коррекции, с треть им входом управления источника постоян10

45 ного тока, с входом управления аналоговым коммутатором, с входами управления второго и третьего ключей, одиннадцатый выход является шиной готовности кода, а первый, второй и третий входы блока управления соединены соответственно с выходом первого компаратора, третьим выходом компаратора кода и выходом генератора импульсов, четвертый и пятый входы являются соответственно шиной пуска и коррекции.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности преобразователя, управляемый источник постоянного тока выполнен на источнике дополнительного напряжения, реверсивном счетчике, операционном усилителе, преобразователе кода в сопротивление, транзисторе и первом и втором элементах И, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока, вторые входы — объединены и являются третьим входом блока, выход первого элемента И подключен к входу "Декремент", а выход второго элемента И вЂ” к входу "Ин кре мент" реве рси в ного счетчика, выход источника дополнительного напряжения соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого объединен с первым входом преобразователя кода в сопротивление, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, выход операционного усилителя соединен с базой транзистора, эмиттер которого подключен к третьему входу преобрэзователя кода в сопротивление. а выходом блока является коллектор транзистора.

1695499 б

Нреиеыыые диаграммы работы стройства

1 !

1

) 1

1 г.3

1695499 р «-й

„.1

1

>I !

Фив. +

25 блОК f0 йаэдбламг Ю Ф

Юа1юУблолт1 7 7ч бхоб АЦП.ПУСК 15

Вход АЦП. корр. 18

АФиачивауюжл

Ь -погреанооть линейнооти преобразования;

Ящ-идеальный код результата преобразования СЪ(цлщ . разря,цн);

Я„-рваный код результата

1реобравования Q, (ылав, разр11дц);

Мо,-код отаршии разрядов результата преобразования Ч7о . и

Ц идеальный код результата преобразова1Шя 0 1 е

14 -реальный код результата преобразования >о

1 6локир блока /У

2 Влокир. блока 87

3 6локиа. блока г1 а сброс блакоь 22,2У

5 Côîñ Еюпт 248, oman

) Не исполиуояся

7 У радление ключа О

8 Улрабле ие блюю 13

9У раблание клюв1ч У

Ю Ураганы ключам $

f8 Жюле &аитм 1

//аиачыь уеужа

1695499

1695499

СЬг. 7

Ъ

Составитель В. Махнанов

Редактор А. Калениченко Техред M.Moðråíòàë Корректор O. Кравцова, Заказ 4172 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113ОЗ5, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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