Способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к методам измерения электрического напряжения, и направлено на увеличение точности преобразования напряжения в код за счет уменьшения составляющей методической погрешности от краевых эффектов. Технический результат заключается в уменьшении погрешности и упрощении схемной реализации по сравнению с существующими способами. Способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения, основанный на интегрировании разности входного напряжения и промежуточного сигнала, получаемого путем импульсной модуляции интеграла от указанной разности, и суммировании промежуточных сигналов за каждый период импульсной модуляции в течение времени преобразования, отличающийся тем, что к результату преобразования прибавляют разность значений выходной величины интегратора в конце и начале времени преобразования, умноженную на постоянный коэффициент, значение которого подбирают из условия исключения погрешности от краевых эффектов. 6 ил.

 

В настоящее время самые высокоточные АЦП напряжения строятся на принципе промежуточного компенсационного интегрирующего преобразования напряжения в сигнал одного из видов импульсной модуляции - ШИМ, ЧИМ, ФИМ, ИРМ (импульсно-разностной модуляции), КИМ (кодоимпульсной модуляции). Промежуточный сигнал суммируют в течение времени преобразования, во много раз превышающего период импульсной модуляции. Чем больше время преобразования, тем потенциально более высокая разрешающая способность может быть достигнута. Однако на этом пути есть серьезные ограничения, связанные с рядом методических и инструментальных погрешностей, из которых одной из основных является так называемая погрешность от краевых эффектов.

Наиболее высокая точность интегрирующих АЦП (ИАЦП) достигнута при использовании ИРМ. Ряд иностранных фирм, в том числе ANALOG DEVICES, BURR-BROWN, INTERSIL, TEXAS INSTRUENTS и другие, освоили массовый выпуск в интегральном исполнении ИАЦП с разрешением от 8 до 24 двоичных разрядов в интегральном исполнении [1, 2]. В зарубежной литературе такие ИАЦП принято называть ΣΔ-АЦП (в некоторых источниках ΔΣ-АЦП).

Предлагаемое изобретение направлено на устранение погрешности ИАЦП от краевых эффектов. Поэтому рассмотрим природу этой погрешности на двух примерах.

На фиг.1,а представлена обобщенная функциональная схема ИАЦП, в которой может быть реализован любой вид импульсной модуляции [3]. В состав схемы входят следующие узлы: 1 - формирователь весовой функции g_o(t), 2 - перемножитель опорного напряжения U_o на весовую функцию g_o(t), 3 - перемножитель преобразуемого напряжения U_x на весовую функцию g_x(t), 4 - формирователь весовой функции g_x(t), 5 - сумматор, 6 - интегратор, 7 - устройство сравнения, 8 - формирователь порогового уровня, 9 - устройство управления, 10 - цифровой интегратор (счетчик импульсов), 11 - генератор опорной тактовой частоты. Процессы, происходящие в ИАЦП, поясняются временной диаграммой на фиг.1,б. Конкретный вид диаграммы зависит от вида импульсной модуляции, реализуемой в ИАЦП. В данном случае реализуется фазоимпульсная модуляция. Формирователь порогового уровня 8 изменяет полярность порогового напряжения (на диаграмме соответствующая осциллограмма обозначена как 8') всякий раз, как выходное напряжение интегратора 6 (на диаграмме оно обозначено как 6') достигает порогового уровня. Однако это происходит не сразу после срабатывания устройства сравнения 7, а в момент прихода первого после срабатывания импульса тактовой частоты. Эти моменты отмечены на диаграмме вертикальными прямыми, изображенными в виде точек. Весовая функция g_o(t) синхронно с изменением порогового уровня меняет знак своего значения (по модулю оно равно единице), в результате чего изменяется полярность опорного напряжения, поступающего на вход сумматора 5 с выхода перемножителя 2. Уравнение преобразования может быть представлено в следующем виде:

где u_x(t) - преобразуемое напряжение; U_o - опорное (образцовое) напряжение; τ_x и τ_о - постоянные времени интегратора 6 со стороны преобразуемого и опорного напряжений соответственно; g_x(t) и g_o(t) - весовые функции; t_н и t_к - моменты начала и конца интервала интегрирования (времени преобразования); I(t_н) и I(t_к) - значения выходной величины интегратора в начале и конце времени преобразования ИАЦП.

Как показано в работе [3], весовая функция g_x(t) определяет динамические свойства ИАЦП, так как в ряде случаев (когда она четно- или нечетно-симметрична относительно интервала интегрирования) она полностью эквивалентна импульсной переходной функции, а во всех остальных случаях (g_x(t) несимметрична) динамические свойства ИАЦП определяются импульсной переходной функцией, которая связана с весовой функцией простым соотношением - она зеркально симметрична по отношению к весовой функции (в математике подобные функции называют энантиаморфными). Для простоты в рассматриваемом алгоритме весовая функция g_x(t) имеет постоянное значение, равное 1, в результате чего ИАЦП имеет амплитудно-частотную характеристику вида |Sinω(t_к-t_н)/ω(t_к-t_н)| [3], где ω - частота входного воздействия. Как известно, такая АЧХ имеет нули на частотах, кратных частоте 1/(t_к-t_н), что обеспечивает подавление помех с частотами, равными и кратными этой частоте.

Наличие в правой части уравнения (1) разности I(t_к)-I(t_н) и является источником погрешности, которую принято называть погрешностью от краевых эффектов. На выходе цифрового интегратора 10 формируется результат преобразования, выражаемый следующим соотношением, получающимся путем разрешения уравнения (1) относительно выходной величины

где ΔI=I(t_к)-I(t_н); ΔIτ_o/U_о - абсолютное значение погрешности от краевых эффектов.

Погрешность от краевых эффектов неизбежна при реализации любых известных алгоритмов интегрирующего развертывающего преобразования с промежуточным преобразованием в сигнал импульсной модуляции. Например, существуют алгоритмы преобразования напряжения в ШИМ сигнал, которые в статике обеспечивают значение ΔI=0, однако в динамике ΔI≠0.

Выше указывалось, что на сегодняшний день наивысшей точностью преобразования обладают ΣΔ-АЦП. Это достигнуто благодаря принятым в них мерам по уменьшению погрешности от краевых эффектов. Рассмотрим один из примеров ΣΔ-АЦП.

На фиг.2,а представлена функциональная схема простейшей разновидности ΣΔ-АЦП [1]. Схема включает сумматор 1, интегратор 2, устройство сравнения 3 выходного напряжения интегратора 2 с нулевым уровнем, тактируемый триггер 4, цифровой фильтр 5, на выходе которого формируется результат преобразования, и переключатель 6 полярности опорного напряжения U_o. Алгоритм преобразования поясняется временной диаграммой на фиг.2,б. Всякий раз, как выходное напряжение интегратора пересекает нулевой уровень, происходит переключение полярности опорного напряжения в первый после срабатывания устройства сравнения тактируемый момент времени. Эти моменты на диаграмме показаны точечными вертикальными прямыми. Для лучшего понимания работы ИАЦП диаграмма фиг.2,б отображает процессы в ИАЦП для случая изменения полярности входного напряжения, это происходит в момент t_+- (осциллограмма 7). Как и в ранее рассмотренном алгоритме, имеет место не равное нулю значение разности ΔI=I(t_к)-I(t_н), что является источником погрешности от краевых эффектов. Эта погрешность уменьшается (практически почти исключается) за счет применения цифровой фильтрации на этапе получения цифрового эквивалента выходной величины ИАЦП. Наличие цифрового фильтра существенно усложняет схемную реализацию ИАЦП, хотя при современном уровне технологии интегральных микросхем этот недостаток не считается очень существенным (цифровой фильтр реализуется с использованием ПЛМ). Тем не менее любое упрощение схемы повышает ее надежность. Поэтому независимо от уровня развития технологии более простые технические решения всегда будут предпочтительными.

Предлагаемое изобретение направлено на исключение погрешности от краевых эффектов с использованием способа, обеспечивающего упрощение алгоритма и схемной реализации ИАЦП. Это достигается за счет того, что в процессе интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения, основанного на интегрировании разности входного напряжения и промежуточного сигнала, получаемого путем импульсной модуляции интеграла от указанной разности, и суммировании промежуточных сигналов за каждый период импульсной модуляции в течение времени преобразования к результату преобразования прибавляют разность значений выходной величины интегратора в конце и начале времени преобразования, умноженную на постоянный коэффициент, значение которого подбирают из условия исключения погрешности от краевых эффектов.

Суть способа заключается в следующем. Идеальное уравнение преобразования имеет вид:

где R_x и R_o - сопротивления, через которые на вход интегратора ИАЦП подаются соответственно входное u_x и опорное U_о напряжения; С - емкость конденсатора, используемого в интеграторе; Т_c - длительность полного цикла преобразования; g_x - весовая функция преобразуемого напряжения, в простейшем случае (как у нас) g_x=1; g_o - весовая функция опорного напряжения (на интервалах, где опорное напряжение отключено, g_o=0, в остальных случаях ее значение равно +1 или -1 в зависимости от полярности опорного напряжения в соответствующие моменты времени).

С учетом методической погрешности от краевых эффектов уравнение преобразования, очевидно, имеет вид:

где ΔI - разность значений выходной величины интегратора в начале и в конце цикла преобразования.

Обозначим через U_x среднее за полный цикл значение входного напряжения. Тогда для результата преобразования из выражения (2) получим:

Таким образом, для исключения погрешности от краевых эффектов для всех известных способов интегрирующего аналого-цифрового преобразования с промежуточным преобразованием в один из сигналов импульсной модуляции достаточно к результату преобразования прибавить поправку, выражаемую вторым слагаемым правой части формулы (3), со знаком, противоположным знаку разности ΔI.

На фиг.3,а и 3.б представлены функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования, и диаграммы. Схема лишь незначительно отличается от схемы ИАЦП фиг.1,а. Устройство содержит: 1 - формирователь весовой функции g_o(t), 2 - перемножитель опорного напряжения U_o на весовую функцию g_o(t), 3 - перемножитель преобразуемого напряжения U_x на весовую функцию g_x(t), 4 - формирователь весовой функции g_x(t), 5 - сумматор, 6 - интегратор, 7 - устройство сравнения, 8 - формирователь порогового уровня, 9 - устройство управления, 10 - цифровой интегратор (счетчик импульсов), 11 - генератор тактовой частоты, 12 - малоразрядный АЦП, 13 - блок ввода поправок. В конце каждого полного цикла преобразования по команде с устройства управления АЦП 12 преобразует выходную величину интегратора в цифровой эквивалент. Полученный код передается в блок ввода поправки 13, где из текущего значения выходного кода АЦП 12 вычитается предшествующее значение, разность кодов умножается на постоянный коэффициент и полученная таким образом поправка суммируется с основным результатом преобразования, полученным в предшествующем цикле преобразования. Заметим, что операцию умножения на постоянный коэффициент можно исключить соответствующим подбором коэффициента преобразования дополнительного АЦП. Существенно также указать, что смещение нуля дополнительного АЦП практически не влияет на точность вычисления поправки, так как при вычислении поправки происходит вычитание двух последовательных выходных кодов дополнительного АЦП.

Литература

1. Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Справочник. М.: Альтекс-А, 2003 г. - 224 с.

2. Губнер Г.Б., Гутников B.C. Применение ΔΣ модуляции в измерительных устройствах. Сб. трудов: Микропроцессорные средства измерения. Санкт-Петебург, 1998 г. - с.3-14.

3. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1986 г. - 144 с.

Способ интегрирующего аналого-цифрового преобразования напряжения, основанный на интегрировании разности входного напряжения и промежуточного сигнала, получаемого путем импульсной модуляции интеграла от указанной разности, и суммировании промежуточных сигналов за каждый период импульсной модуляции в течение времени преобразования, отличающийся тем, что к результату преобразования прибавляют разность значений выходной величины интегратора в конце и начале времени преобразования, умноженную на постоянный коэффициент, значение которого подбирают из условия исключения погрешности от краевых эффектов.