Устройство аналого-цифрового преобразования

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах, гибридных вычислительных комплексах, системах автоматики, регулирования и контроля . Цель изобретения - повышение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй усилители, первый и второй переключатели, аналоговый вычитатель, блок управления, малоразрядный аналого-цифро.вой преобразователь, блок суммирования и первый цифро-аналоговый преобразователь, дополнительно введены реверсивный счетчик и второй цифроанало говый преобразователь. Повышение точности параллельно-посл.едовательного аналого-цифрового преобразователя достигается за счет компенсации дрейфа смещения нулевого уровня цепи обратной связи формирования разностного сигнала второго такта преобразования. Метод компенсации основывается на свойстве равномерного распределения погрешности квантования с нулевым значением математического ожидания функции распределения. Используемый метод компенсации погрешности позволяет в 2-3 раза повысить точность преобразования без снижения быстродействия . 6 ил. w е

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 M 1/38

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4934603/24 (22) 28,03.91 (46) 07.04.93. Бюл. М 13 (71) Научно-конструкторское бюро моделирующих и управляющих систем "Миус" (72) Б.М.Строцкий (56) Авторское свидетельство СССР

М 839046, кл. Н 03 М 1/46, 1979.

Авторское свидетельство СССР

hL 1249704, кл. Н 03 М 1/38, 1983. (54) УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ° (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах, гибридных вычислительных комплексах, системах автоматики, регулирования и контроля. Цель изобретения — повышение точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержа щее первый и второй усилители, первый и

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах, гибридных вычислительных комплексах, системах автоматики, регулирования и контроля.

Цель изобретения — повышение точности устройства, На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 — временная диаграмма, поясняющая алгоритм его работы; на фиг. 3 — блок управления; на фиг. 4 — блок суммирования; на фиг. 5— аналоговый вычитатель; на фиг, 6 — график распределения плотности вероятности эна„, Я2„„1807559 А1 второй переключатели, аналоговый вычитатель, блок управления, малоразрядный аналого-цифровой преобразователь, блок суммирования и первый цифро-аналоговый преобразователь, дополнительно введены реверсивный счетчик и второй цифроаналоговый преобразователь. Повышение точности параллельно-последовательного аналого-цифрового преобразователя достигается за счет компенсации дрейфа смещения нулевого уровня цепи обратной связи формирования разностного сигнала второго такта преобразования, Метод компенсации основывается на свойстве равномерного распределения погрешности квантования с нулевым значением математического ожидания функции распределения. Используемый метод компенсации погрешности Я позволяет в 2-3 раза повысить точность преобразования без снижения быстродействия, 6 ил.

° ююй чения остаточного нескомпенсированного CO. сигнала после первого такта работы анало- С) го-цифрово о преобразователя параллель- . 4 но-последовательного типа. Сл

В состав устройства входят первый пе- (у реключатель 1, второй переключатель 2, аналоговый вычитатель 3, блок управления

4, малоразрядный аналого-цифровой преобразователь 5. блок суммирования 6, первый цифроаналоговый преобразователь 7, первый усилитель 8, второйусилитель9, реверсивный счетчик 10 и второй цифроаналоговый преобразователь 11.

Первый вход первого переключателя 1 является входной шиной устройства, содер1807559 жащего второй переключатель 2 и аналоговый вычитатель 3, первый вход которого соединен с первым входом первого переключателя

1, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления 4, второй вход которого подключен к управляющему входу второго переключателя 2, а третий — к управляющему входу малоразрядного аналого-цифрового преобразователя 5, информационные выходы которого подключены к первому входу блока суммирования 6, а выход "Конец преобразования" — ко второму входу блока суммирования 6, первый информационный выход которого является выходной шиной, а второй информационный выход через первый цифро-аналоговый преобразователь 7 подключен ко второму входу .первого переключателя 1, первый вход которого соединен через первый усилитель 8 с первым входом второго переключателя 2, 20 второй вход которого подключен через второй усилитель 9 к выходу аналогового вычитателя 3, второй вход которого йодключен к выходу первого переключателя 1, а третий— к выходам старших разрядов реверсивного 25 счетчика 10 через второй цифроаналоговый преобразователь 11, выход второго переключателя 2 подключен к информационному входу малоразрядного аналого-цифрового преобразователя 5, четвертый и пятый выхо- 30 ды блока управления 4 соединены соответственно с третьим и четвертым. управляющими входами блока суммирования 6, а шестой выход блока управления 4 подключен к счетному входу реверсивного счетчика 10 и пятому 35 .управляющему входу блока суммирования

6, третий информационный выход которого подключен к управляющему входу реверсивного счетчика, а управляющий вход блока управления 4 является шиной ".Пуск" 40 устройства.

Работает устройство следующим образом.

В исходном положении аналоговый вход устройства через первый усилитель,8 и 45 второй переключатель 2 подключен к аналоговому входу малораэрядного аналогоцифрового преобразователя 5.

Первый переключатель 1 соединяет второй вход аналогового вычитателя 3 также с 50 входом устройства. В этом состоянии напряжение на выходе аналогового вычитателя 3 близко к нулю, т.к, его разнополярные ° . входы подключены к одной шине. Следовательно, и напряжение на выходе второго 55 усилителя 9 также незначительно по величине, что позволяет сохранять линейный режим работы усилителя, С поступлением сигнала по входу

"Пуск" устройства начинает работать блок управления 4, который сигналом с третьего выхода осуществляет первый в цикле кодирования запуск малоразрядного аналогоцифрового преобразователя 5. Результат первого цикла кодирования заносится в блок суммирования 6 по сигналу "Конец кодирования" с выхода малораэрядного аналого-цифрового и реобраэователя 5.

Одновременно полученные данные через второй выход блока суммирования 6 поступают на вход первого цифроаналогового преобразователя 7, на выходе которого начинает устанавливаться эквивалентный аналоговый сигнал, а второй переключатель 2 сигналом со второго выхода блока управления 4 переводится в состояние замыкания выхода второго усилителя 9 на вход малораэрядного аналого-цифрового преобразователя 5.

Через интервал времени, достаточный для установления амплитуды сигнала на выходе первого цифроаналогового преобразователя 7 на уровне 50-60% от максимального значения, сигналом с первого выхода блока управления 4 первый переключатель 1 переводится в положение замыкания выхода первого цифроаналогового преобразователя 7 на второй вход аналогового вычитателя

3. При этом в силу наличия погрешности и конечной разрешающей способности малораэрядного аналого-цифрового преобразователя 5 цепочка из последовательно включенных аналогового вычитателя 3 и второго усилителя 9 начинает формировать и масштабировать разностный.сигнал первого цикла кодирования. Смасштабированный сигнал разности между действительным значением аналогового сигнала на входе устройства и его аналоговым отображением после первого цикла преобразования поступает через второй переключатель 2 на вход малоразрядного аналого-цифрового преобразователя 5. После окончательного завершения переходных процессов в аналоговых цепях блоком управления 4 на его третьем выходе вновь формируется сигнал запуска аналого-цифрового преобразователя 5. По истечении процедуры кодирования малоразрядным аналого-цифровым преобразователем 5 вновь вырабатывается сигнал "Конец кодирования" по совпадению которого с сигналом на пятом выходе блока управления 4 полученные данные второго такта кодирования заносятся в блок суммирования 6, Блок суммирования 6 формирует окончательный код результата кодирования с учетом перекрытия шкал первого и второго тактов кодирования. Полученный результат поступает на выходную шину даннь", уст1807559

Выход комбинационного сумматора 2 дключен к входу третьего регистра 2 пись данных в третий регистр 20 осущ ляется по сигналу с шестого выхода бл управления 4 после формировани марного кода первого и второго регис, соответственно 18 и 19. Выходная шин ных третьего регистра 20 является пер м выходам блока суммирования 6 и выхо устройства.

На фиг. 5 приведена схема возможно лизации аналогового вычислителя 2. Пр таточно качественном операционно лителе 22 напряжение на выходе анало

oro вычитателя 3 определяется выраже м

R4 R5 R5

0вых = R 0вх1 Usx2 1-1«3 ° (1)

В1 ройства по строб-сигналу с шестого выхода 1 блока управления 4, .по О.

На этом заканчивается цикл кодирова- За ения параллельно-последовательно аналого- ств оцифрового преобразователя. При этом по, 5 ка управляющим сигналам с первого и второго сум твыходов блока управления 4 переключатели ров а

1 и 2 переводятся в исходное состояние, что дан приводит вновь к подключению входа малб- вы разрядногоаналого-цифровогопреобразова- 10 дом теля 5 к входу устройства и к закорачиванию разнополярных входов аналогового вычита- реа теля 3. дос м

На фиг, 2 приведена временная диаг- уси рамма работы устройства, расчитанная на 15 гов

16 рабочих тактов блока управления 4, при- ние мер реализации которого приведен 1 а фиг, 3. Блок управления 4 содержит тактовый генератор 12, триггер 13, одновибратор 14, схему совпадения 15, двоичный счетчик 16 20 и дешифратор 17. Принцип функционирова- R4 R5 ния предлагаемой струк уры блока управле- Если принять — = — то при UBX.! =

R3 R2 ния 9 не нуждается в пояснениях. =IJ«2, что реализуется с помощью первого

Возможная структура блока суммирова- переключателя 1, и Орх.з = 0 напряжение на ния 6 приведена на фиг. 4, Блок содержит 25 выходе аналогового вычитателя 3 в таком первый 18, второй 19 и третий 20 регистры режиме будет равно ну ю, щ щ режиме удет равно нулю, что защищает и комбинационный с ммато 21. В пе вый

У ор 2" В первый второй усилитель 9 от режима насыщения в регистр 18 по совпадению. сигналов "Конец момент работы устройс а момент ра оты устройства на первом такте кодиРованиЯ" с выхода малоРазРЯдного преобразования аналого-цифрового преобразователя

Р - - 5 30 3десь необходимо отметить, что одним из стробирующего сигнала с четве того выхос четвеРтого выхо- основных препятствий впбвышенииточностианада блока управления 4 осуществляется за- лого-цифровых р лого-ци ровых ripeo разователей пералпись результата первого такта кодирования лельно-последов е лельно-последовательного типа является параллельно-последовательного аналого высокий вес на р высокий вес напряжений смещения нуля гист -19 и и цифрового преобразователя, Во второй ре- 35 всей цепочки ормиров всей цепочки формирования и масштабирования разностного сигнала в выходном сиггистр- по совпадению сигналов "Конец . кодированиЯ" с выхода малоразРЯдного нале второго усилителя 9, Действительно, аналого-цифрового преоб аэователя 5 и фр г прео PaaoeaTej111 - "" если, например, коэффициент усиления втоблока и а н я стробирующего сигнала с пятого выхода рого усилителя 9 принять равным 64, т.е. масшта ировать сигнал для шести разрядлока УпРавлениЯ 4 осУществлЯетсЯ запись 40 масштабировать сигн л ного аналого-цифрового npåo разователя, цифрового преобразователя, то суммарное напряжение смещения ци роаналогового преобразователя 7, аналогоВыходы пеРвого РегистРа 18 подклю- вого вычитателя 3 и с м амого усилителя ршим разрядам входа комби- 45 возрастает на входе аналого-цифрового национногосумматор а 2 1сУчетомпреобразователя 5 в 64 раза.следовательраспространения знака на младшие сворой выход блока сумми ования ля нуля всей цепочки формирования разностР д У РованиЯ 6 длЯ ного сигнала при единичном коэффициенте подключения к входу первого цифра-анало- 50 пере ач гового преобразователя 7 в ст кт е стпередачи должен ыть в 64 раза меньше

РУ УР Ус величины младшего кванта преобразования ройства. Выходы вто ого егист а 19 подключены к младшим аэ ядам вхо а д p o Р с р 19 аналого-цифрового преобразователя 5. О— д р эрядам входа В новременно следует помнить, что козффив теля . дкомбинационного сумматора 21 с учетом циент усиления, равный 64, .второго

РаспРостРанениЯ знакового РазРЯда вход- 55 усилител 9 ного слова данных на старшие раз яды вхоусилителя во столько же раз сужает его

p p ды ахо полосу пропускания и пропорционально

Ричем шина знакового Разряда втоРого ре- выходе. Поэтому требования по быстродеймирования 6. од б о а сум- ствию вынуждают использовать по од блока с м- ь всей це1807559

55 ленная шумами; почке обратной связи широкополосную элементную базу с низкими техническими характеристиками по стабильности и дрейфу напряжения смещения нуля. Необходимо искать пути стабилизации дрейфа нуля цепи обратной связи.

Рассмотрим характер остатка нескомпенсированной части входной аналоговой величины после первого цикла кодирования. B ряде исследований показано, что погрешность квантования при достаточно разрешающей способности аналого-цифрового преобразования имеет равномерное распределение в пределах младшего кванта при уровне шумов значительно ниже величины кванта. С возрастанием уровня шума случайная составляющая погрешности аналого-цифрового преобразования имеет двойную физическу|о природу, т.е. складывается из погрешности квантования и случайной погрешности по шумам. Однако и в этом случае закон распределения погрешности имеет симметричный характер, т,е. вероятность появления отрицательного, Не следует упускать иэ виду и наличие систематической составляющей погрешности первого цикла преобразования. Таким образом, для величины теоретического разностного сигнала после первого цикла преобразования можно записать:

Лт = Ь ст + Лсл + Ам, (2) где. Лист — действительный остаточный сигнал, который мог бы быть получен при идеальном аналого-цифровом преобразовании первого цикла кодирования;

Л<л — случайная составляющая разностного сигнала, обусловленная шумами;

Лсм — систематическая составляющая погрешности формирования разностного сигнала, обусловленная напряжением смещения первого усилителя 8 и аналого-цифрового преобразователя 5

Действительное значение разностного сигнала формируется на выходе второго усилителя 9 и может быть с учетом характера и физической природы возникающей погрешности описано выражением

Лд= К(Л т)+ Лц.сл. + h,ö.cì, (3) где Лц.сл. — случайная составляющая погрешности цепи обратной связи, обусловЛц см, — систематическая составляющая погрешности цепи обратной связи, обусловленная напряжениями сдвига нулевого уровня цифроаналогового преобразо5

30 вателя 7, аналогового вычитателя 3 и второго усилителя 9;

К вЂ” коэффициент передачи второго усилителя 9.

B выражении (3) не учитываются составляющие погрешности, обусловленные изменением масштабных коэффициентов, нелинейностью схем и т.д, Подставляя (2) в (3), окончательно получим для смасштабированного разностного сигнала:

Лд = К Лист + К (Ал ) + Лц.сл. +

+ К (Ам ) + Лц. с м. ° (4) Анализируя (4), можно заметить,.что первые три слагаемых являются центрированными случайными величинами, т.е. математическое ожидание распределения величин Лист, Лсл, и Лц.сл, paewo ну лю. Значение же слагаемых K(hcM) и

h, .cM СМЕЩаЕт МатЕМатИЧЕСКОЕ ОжИДаНИЕ величины Лд на соответствующую величину. На фиг, 6 приведен график плотности распределения случайной величины Лд, где показан один иэ возможных вариантов смещения среднего значения Лд.

В схеме заявляемого устройства для выявления постоянной составляющей погрешности формирования h,ä используется интегратор на базе реверсивного счетчика

10, На управляющий вход счетчика поступа-. ет сигнал с третьего выхода блока суммирования 6, т.е, знак выходного кода второго цикла кодирования, или, иными словами, полярность величины Лд. Синхровход реверсивного счетчика 10 подключен к шестому выходу блока управления 4. Учитывая то, что сигналом по этому выходу в третий регистр 20 блока суммирования заносится окончательный результат преобразования, можно установить, что при этом в реверсивный счетчик 10 будет записываться или вычитаться единица в зависимости от полярности значения b,ä на выходе малоразрядного аналого-цифрового преобразователя

5 во втором такте кодирования, Разрядность реверсивного счетчика 10 должна определяться значением дисперсии законов распределения Ли т и (Л„+

+ Лц,ccn). Поэтому число неиспользуемых на выходе выводов младших разрядов счетчика.определяет постоянную времени интегрирования, Старшие разряды реверсивного счетчика 10 подключены к входам второго цифроаналогового преобразователя 11, сигнал на выходе которого является результатом интегрирования выражения (4);

1807559

0вых.цэп К (Л см) + Л ц.см. (5) пом сравним их по точности. Реализация первого усилителя 8 на микросхеме

Этот сигнал заводится на третий вход 140УД17, имеющей значение дрейфа напряаналогового вычитателя 3. с помощью кото- жения смещения нуля, равное 1 мкВ/"C, и рого при соответствующем выборе масш- 5 малоразрядного аналого-цифрового преобтабного коэффициента резисторами R1 и Rg разователя 5 на микросхеме 1107ПВ1, имепроизводится компенсация смещения пер- ющей значение дрейфа напряжения вого цикла преобразования и цепи обрат- смещения нуля,равное5мкВ/ С. позволяет ной связи второго цикла преобразования; определить максимальное значение Л«

Необходимо отметить, что компенсация 10 первого такта преобразования в диапазоне величины А«играет отрицательную роль, температур + 20 С, равное +. 140 мкВ, т.к. эта погрешность первоготакта преобра- Приняв перекрытие шкал первого и второго . зования теперь не будет компенсироваться тактов преобразования на один младший вторым тактом и полностью войдет в окон- разряд, получаем необходимый коэффицичательный итог преобразования, причем на 15 ент усиления второго усилителя 9, равный уровне младших разрядов первого такта. 32. Используя в качестве второго усилителя

Однаконеобходимопреждевсегоотметить, 9 широкополосную микросхему типа что величина Л«исходно может быть сде- 544УД2 и считая. что ее собственный дрейф

- лана достаточно малой, т,к. первый усили- . напряжения смещения в 100 мкВ/ОС сотель 8 и малоразрядный аналого-цифровой 20 ставляет подавляющую часть напряжения преобразователь 5 работают при коэффици- смещения цепи обратной связи, получаем ентах передачи, близких к единице, и могут возможное значение погрешности Л ц. в быть выбраны достаточно стабильными. Ос- диапазоне температур «+ 20"С, равное 64 новным положительным фактором, допу- мВ, При динамическом диапазоне аналогоскающим некомпенсацию Л ì в связи с 25 вого сигнала в 2 В это составляет 2 кванта уничтожением Ьц.см, является то, что в второго такта преобразования. В то же вреокончательном результате преобразования мя усиленное вторым усилителем 9 напрявеличина Л«составит постоянное значе- жение смещения тракта — усилитель 6— ние, сдвигающее всю передаточную харак- . аналого-цифровой преобразователь 5 сотеристику на определенную величину, что 30 ставляет всего 4,5 мВ, что значительно легко компенсируется первоначальной на- меньше весамладшегоквантапреобразовастройкой или методами периодической кор- ния, который составляет 31 мВ, рекции в системе, Присутствие же в . В заявляемом устройстве величины разностном сигнале величины Лц, м, кото- Ь«и Лц.«будут скомпенсированы. Слерая из-за нестабильности величины смеще- 35 довательно, действительная погрешность ния второго усилителя 9 быстро дрейфует и, от, смещения нулевого уровня не превысит главное, формируется в цепи обратной свя- 4,5 мВ, в то время как была возможна ошибэи и, подавляя полезный сигнал, приводит к ка в 64 мВ. нелинейному характеру погрешности (для Приведенный сравнительный анализ замкнутой системы с отрицательной обрат- 40 составляющих погрешности показывает, ной связью коэффициент передачи цепи об- что. по сравнению с устройством-прототиратной связи находится в знаменателе пом, заявляемое устройство имеет при одипередаточной функции). приводит к значи- наковой элементной базе в 15 раэ более тельно более тяжелым последствиям, и по- низкую погрешность, давление Лц.см имеет решающее значение 45 Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я . для повышения точности параллельно-по- Устройство аналого-цифрового преобследовательноаналого-цифровогопреобра- разования, содержащее первый и второй зователя. Поэтому в целом использование переключатели, аналоговый вычитатель, интегратора на базе реверсивного счетчика блок управления, малоразрядный аналого10 совместно с вторым цифроаналоговым 50 цифровой преобраэо ватель, блок сумпреобразователем 11 позволяет повысить мирования, первый цифроаналоговый точность аналого-цифровых преобразовате- преобразователь и первый и второй усилилей параллельно-последовательного типа тели, вход первого из которых объединен с при условии использования широкополос- первыми входами аналогового вычитателя и ной элементной базы в цепи формирования 55 первого переключателя и является входной и масштабирования разностного сигнала шиной, а выход подключен к первому входу второго такта преобразования, второго переключателя, второй вход котороДля выявления преимущества заявляв- го через второй усилитель соединен с выхомого устройства по сравнению с прототи- дом аналогового вычитателя, а выход — c

1807559 информационным входом малоразрядного аналого-цифрового преобразователя, информационные выходы которого и выход

"Конец преобразования" подключены соответственно к первому и второму входам блока суммирования, первый информационный выход которого является выходной шиной, а второй информационный выход — через первый цифроаналоговый преобразователь подключен к второму входу первого переключателя, выход которого соединен с вторым входом аналогового вычитателя, управляющие входы первого и второго переключателя, а также малоразрядного аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления, четвертый, пятый и шестой выходы которого подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому входам блока суммирования, а управляющий вход блока управления является

5 шиной "Пуск",отличающеесятем,что, с целью повышения точности, в него введены реверсивный счетчик и второй цифроаналоговый преобразователь, причем счетный вход реверсивного счетчика соеди10 нен с шестым выходом блока управления, а управляющий вход соединен с третьим информационным выходом блока суммирования, выходы старших разрядов соединены с соответствующими входами второго цифро15 аналогового преобразователя, выход которого подключен к третьему входу аналогового вычитателя.

1807559

1807559

Уи2.3

1807559

Составитель Н,Бобрицкая

Техред М,Моргентал Корректор С.Юско

Реда кто р"

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

Заказ 1384 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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