Аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для преобразования изменяющихся во времени напряжений в код. Техническим результатом является повышение точности. Преобразователь содержит основной аналого-цифровой преобразователь, дополнительный узкодиапазонный аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения, блок суммирования, блок функционального преобразования, блок умножения и блок коммутации. 3 ил.

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для использования в области точного приборостроения для преобразования изменяющихся во времени напряжений в код, в частности для преобразования выходных сигналов акселерометров, датчиков угловых скоростей и гравиметрических чувствительных элементов инерциальных и гравиметрических систем, работающих на подвижных объектах-носителях.

Известны различные типы аналого-цифровых преобразоватслей неинтегрирующего и интегрирующего типов (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л: Энергоатомиздат, 1988, стр. 239-276). Наиболее точными являются аналого-цифровые преобразователи интегрирующего типа (там же, стр. 251-276), состоящие из двух преобразователей: напряжения в частоту и частоты в код. Динамический диапазон рассматриваемых преобразователей может изменяться путем деления или умножения напряжения в его схеме.

Основным недостатком рассматриваемых АЦП является то, что их погрешность растет пропорционально выбранному диапазону измеряемых напряжений. Увеличение низкочастотной составляющей погрешности зачастую входит в противоречие с требуемой точностью преобразования. Поэтому в АЦП акселерометров, датчиков угловых скоростей и гравиметрических ЧЭ приходится снижать их диапазон преобразования, что накладывает нежелательные ограничения к характеру маневрирования объекта-носителя (судна, самолета, вертолета и т.д.). Высокочастотная составляющая погрешности не является определяющей.

Для повышение точности АЦП без снижения его диапазона преобразования в АЦП, содержащий основной АЦП, на вход которого подается преобразуемое напряжение, введены дополнительный узкодиапазонный АЦП, на вход которого подается преобразуемое напряжение, блок сравнения, блок суммирования, блок функционального преобразования, блок умножения, блок коммутации, причем выход основного АЦП соединен с одним из входов блока суммирования, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения и с одним из входов блока коммутации, выход дополнительного узкодиапазонного АЦП соединен со свободным входом блока сравнения и одним из входов блока коммутации, выход блока сравнения соединен со входом блока умножения, выход которого соединен со свободным входом блока коммутации, один из выходов которого является выходом устройства, а другой выход соединен со входом блока функционального преобразования, выход которого соединен со входом блока суммирования.

На фиг.1 представлена блок-схема заявленного АЦП.

На фиг. 2 представлена структурно-формульная схема.

На фиг.3 представлены экспериментальные данные.

АЦП содержит основной АЦП 1, дополнительный узкодиапазонный АЦП 2, блок сравнения 3, блок суммирования 4, блок функционального преобразования 5, блок умножения 6, блок коммутации 7. Выход основного АЦП соединен с одним из входов блока суммирования, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения и с одним из входов блока коммутации, выход дополнительного узкодиапазонного АЦП соединен со свободным входом блока сравнения и одним из входов блока коммутации, выход блока сравнения соединен со входом блока умножения, выход которого соединен со свободным входом блока коммутации, один из выходов которого является выходом устройства, а другой выход соединен со входом блока функционального преобразования, выход которого соединен со входом блока суммирования. Блоки 3-7 реализуются в ЦВМ. Их структурно-формульная схема изображена на фиг.2, где: U1 и U2 - коды измеряемого напряжения, снимаемые с выхода основного АЦП и дополнительного узкодиапазонного АЦП соответственно; U2_max - диапазон дополнительного АЦП; dU1 - поправка к показаниям основного АЦП; U_вых - выходной код.

В основу работы заявленного АЦП положен принцип коррекции выходного кода основного АЦП узкодиапазонным АЦП, когда входное напряжение находится в его диапазоне. В блоке суммирования 4 происходит суммирование кода основного АЦП с поправкой, выработанной блоком функционального преобразования 5, который в данном случае реализует схему интегрирования. В случае, если входное напряжение превышает диапазон дополнительного преобразователя поправка dU1 "замораживается" благодаря тому, что блок коммутации 7 обнуляет входной сигнал блока функционального преобразования 5. Блок коммутации 7 в данном случае транслирует на выход поправленное в блоке сравнения 4 значение выхода основного АЦП, другим возможным вариантом является трансляция на выход данных дополнительного АЦП при работе в пределах узкого диапазона. Выход блока суммирования вычитается в блоке сравнения 3 из кода дополнительного узкодиапазонного АЦП, полученная разность умножается на константу а в блоке умножения 6. Выходы блоков умножения 6, суммирования 4 и выход дополнительного АЦП поступают на вход блока коммутации 7.

Передаточная функция погрешности выходного кода ΔU_вых в рассматриваемой схеме при входном напряжении, меньшем диапазона дополнительного АЦП, имеет вид: ΔU_вых= ΔU1(Ts/Ts+1)+ΔU2(1/Ts+1), где ΔU_вых - погрешность выходного кода; ΔU1 - погрешность основного АЦП; ΔU2 - погрешность дополнительного узкодиапазонного АЦП; T = 1/a - постоянная времени схемы; s - оператор Лапласса.

Из передаточной функции следует, что для периодов изменчивости смещений нулей преобразователей, больших Т (T_s ---> 0), ΔU_вых _→ ΔU2. Таким образом, заявленный АЦП имеет диапазон основного АЦП, а точность, практически равную АЦП с узким диапазоном.

Эффективность заявленного устройства подтверждена экспериментом. В качестве преобразователей напряжение - частота были использованы микросхемы AD625BQ фирмы "Analog Devise", в качестве преобразователей частота-код - плата PC-836 фирмы "Advantech". На входы АЦП подавалось напряжение 1 В от опорного источника. На фиг.3 представлены погрешности основного АЦП, диапазон которого 5 В, дополнительного узкодиапазонного АЦП, диапазон которого 1,5 В и выходного кода заявленного преобразователя. Данные на графиках получены после осреднения апериодическим звеном с постоянной времени 60 с. СКО указанных преобразований равны 0.0000099 В, 0.0000023 В и 0.0000032 В соответственно. Таким образом, точность основного АЦП увеличена в 3 раза без снижения его диапазона.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий основной аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается преобразуемое напряжение, отличающийся тем, что в него введены дополнительный узкодиапазонный аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается преобразуемое напряжение, блок сравнения, блок суммирования, блок функционального преобразования, блок умножения, блок коммутации, причем выход основного аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов блока суммирования, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения и с одним из входов блока коммутации, выход дополнительного узкодиапазонного аналого-цифрового преобразователя соединен со свободным входом блока сравнения и одним из входов блока коммутации, выход блока сравнения соединен со входом блока умножения, выход которого соединен со свободным входом блока коммутации, один из выходов которого является выходом устройства, а другой выход соединен со входом блока функционального преобразования, выход которого соединен со входом блока суммирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3