Способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в высокой точности осуществления заявленного способа при минимальных аппаратных и программных издержках. Заявленное устройство содержит источник входного сигнала, коммутатор аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, управляющий вычислительный комплекс, введены также источник напряжения нуля и источник эталонного напряжения. Другой вариант - способ коррекция погрешностей аналого-цифрового преобразования включает аналого-цифровое преобразование исходного сигнала и отождествление его с эталонным сигналом, при этом перед началом эксплуатации (в процессе настройки) выполняют калибровку устройства в нормальных условиях, включающую измерение сигнала, соответствующего нулю, и измерение эталонного сигнала, полученные значения заносят в энергонезависимую память в виде кода нуля и кода эталонного значения, а измерения в процессе эксплуатации выполняют следующим образом: выполняют измерение поступающих сигналов по всем входам с последующей низкочастотной фильтрацией значений, полученных в цикле измерения, для уменьшения влияния помех в тракте измерения, в каждом цикле измерения определяют код коррекции нуля и коэффициент коррекции коэффициента усиления, после чего осуществляют коррекцию измерений по измерительным входам. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, связанных со смещением нуля и дрейфом коэффициента усиления тракта измерения. Наиболее эффективно применение данного способа в многоканальных системах измерения параметров с постоянными или медленно меняющимися значениями. Величина смещения нуля и дрейф коэффициента усиления обусловлены температурной и временной нестабильностью элементов тракта измерения.

Известны способы коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, например, способ [1], при котором осуществляют аналого-цифровое (прямое) преобразование исходного сигнала, цифро-аналоговое (обратное) преобразование сигнала, уменьшенного на величину образцового сигнала прямого преобразования исходного сигнала, полученный сигнал подвергают прямому преобразованию, осуществляют также обратное преобразование сигнала, увеличенного на величину образцового сигнала результата прямого преобразования исходного сигнала, полученный сигнал также подвергают прямому преобразованию, вычисляют скорректированный результат преобразования исходного сигнала по математической формуле.

Описанный способ реализуется с помощью устройства, содержащего управляющий вычислительный комплекс (УВК), магистраль типа «общая шина», точный цифро-аналоговый преобразователь, источник измеряемого сигнала, входной коммутатор аналоговых сигналов, групповой нормирующий преобразователь с нелинейной функцией преобразования, коммутатор аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком данного технического решения является сложность и низкое быстродействие.

Известен также способ [2], включающий коррекцию на основе последовательного цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования сигналов, с последующим сохранением результата аналого-цифрового преобразования в оперативном запоминающем устройстве, при котором осуществляется процесс тестирования, в начале осуществляющийся в непрерывном режиме с момента включения аналого-цифрового преобразователя в течение 2ⁿ тактов, с последующим запоминанием кода тестового сигнала по адресу выходного кода корректируемого n-разрядного аналого-цифрового преобразователя, причем тестовый сигнал представляет собой ступенчатую функцию напряжения, уровень мгновенного значения которого пропорционален коду числа тактовых импульсов, и в случае линеаризации за полный период тестирования (2ⁿ тактов) будет совпадать с идеализированной характеристикой аналого-цифрового преобразования, при этом в ходе непрерывного тестирования режим коррекции блокируется, а по завершении непрерывного тестирования начинается этап коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, режимы коррекции и периодического тестирования в течение одного такта чередуются, а периодическое тестирование проводится ввиду возможной нестабильности характеристики преобразования аналого-цифрового преобразователя, при этом в режиме коррекции выходной код аналого-цифрового преобразователя служит адресом для вывода кода мгновенного значения напряжения, лежащего на идеализированной характеристике аналого-цифрового преобразования.

Описанный способ реализуется с помощью устройства, содержащего генератор тактовых импульсов (ГТИ), n-разрядный двоичный счетчик, (n+1)-входовый элемент И, ОЗУ (2ⁿ слова × n разряда), n-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, коммутатор аналоговых сигналов, корректируемый n-разрядный АЦП, делитель на два, двухвходовый элемент ИЛИ, n-элементный блок ключей, при этом выход ГТИ подключен к входу n-разрядного двоичного счетчика, выходы которого одновременно подключены к n входам (n+1)-входового элемента И, к входам ОЗУ и к входам n-разрядного ЦАП, выход которого подключен к второму информационному входу коммутатора аналоговых сигналов, первый информационный вход которого служит входом устройства, а выход подключен ко входу корректируемого n-разрядного АЦП, выходы которого являются адресными входами ОЗУ; выход (n+1)-входового элемента И подключен к входу делителя на два, инверсный выход которого одновременно соединен с (n+1)-м входом (n+1)-входового элемента И и со вторым входом двухвходового элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу ГТИ, а выход одновременно подключен к входу управления коммутатора аналоговых сигналов, входу управления записью ОЗУ и входу управления n-элементного блока ключей, выходы последнего являются выходами устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования [3], включающий аналого-цифровое (прямое) преобразование исходного сигнала, при котором корректируемый k-разрядный аналого-цифровой преобразователь с момента включения переводится в режим непрерывного тестирования, которое осуществляется 2^m раз (k и m связаны соотношением: k=m+n), причем тестовый сигнал представляет собой ступенчатую функцию напряжения, изменяющегося в диапазоне входных сигналов корректируемого аналого-цифрового преобразователя и отождествляемого с 2^m эталонными сигналами, кодовый эквивалент порядкового номера которых служит адресом ячеек памяти оперативно-запоминающего устройства, в которые записывается выходной код тестируемого аналого-цифрового преобразователя. В ходе непрерывного тестирования режим коррекции блокируется. По завершению этапа непрерывного тестирования осуществляется этап коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, характеризующийся чередованием двух циклов: анализа входного сигнала и периодического тестирования, определяемых очередностью поступления групп из 2^n-1 импульсов. В ходе анализа входного сигнала осуществляется аналого-цифровое преобразование отсчетов информационного входного сигнала и запоминание результата, при периодическом тестировании происходит одновременно собственно коррекция результата аналого-цифрового преобразования и периодическое тестирование аналого-цифрового преобразователя, которое проводится в силу возможной нестабильности параметров работающего аналого-цифрового преобразователя. В процессе непрерывного тестирования АЦП создается таблица поправок, в которую заносятся значения отклонений от идеальной характеристики АЦП для каждого значения кода ЦАП. Коррекция измеренного значения осуществляется на величину поправки, соответствующую данному значению сигнала АЦП.

Описанный способ коррекции аналого-цифрового преобразования реализуется устройством, содержащим генератор тактовых импульсов (ГТИ), k-разрядный двоичный счетчик, блок управления, m-элементный блок ключей, m-разрядный ЦАП, коммутатор аналоговых сигналов, корректируемый k-разрядный АЦП, ОЗУ (2^m слова × k разряда), k-разрядный регистр хранения значения Y₁, вычислитель, m-разрядный регистр хранения значения U_Э1, m-разрядный сумматор, m-элементный блок ключей, блок m трехвходовых схем ИЛИ, k-разрядный регистр хранения значения Y₂, k-разрядный регистр хранения значения Y₃, при этом выход ГТИ подключен к входу k-разрядного двоичного счетчика, k выходов которого соединены с k входами блока управления, а m выходов из k (с (n+1)-го по k-й) одновременно подключены к m входам блока ключей и m-разрядного ЦАП, выход которого подключен к второму информационному входу коммутатора аналоговых сигналов, первый информационный вход которого служит входом устройства, а выход подключен ко входу корректируемого k-разрядного АЦП, k выходов которого являются информационными входами ОЗУ и регистра хранения значения Y₁, k выходов которого подключены ко второй группе информационных входов вычислителя, а m выходов из k (с (n+1)-го по k-й) одновременно подключены к m входам регистра хранения значения U_Э1 и m входам первой группы входов сумматора, вторую группу входов которого представляет вход младшего разряда, на который подано напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Недостатками описанных технических решений, предназначенных для коррекции погрешности аналого-цифрового преобразования, являются значительные аппаратные и программные затраты для выполнения компенсации, необходимость периодического прерывания процесса измерения для выполнения длительной процедуры непрерывного тестирования, а также строгое требование к монотонности характеристики преобразования АЦП, так как в противном случае могут возникать неоднозначности, и соответственно, ошибки при выполнении коррекции.

Наиболее близким по технической сущности к устройству, реализующему предлагаемый способ, является устройство, представленное в [1].

При создании заявляемого изобретения стояла задача разработки технического решения, позволяющего осуществлять коррекцию погрешностей смещения нуля и дрейфа коэффициента усиления, вызванных действием температуры и долговременной нестабильностью применяемых компонентов при минимальных аппаратных и программных издержках.

Для решения поставленной задачи при осуществлении коррекции погрешности аналого-цифрового преобразования, включающей аналого-цифровое преобразование исходного сигнала и отождествление его с эталонным сигналом, перед началом процесса измерения выполняют калибровку устройства в нормальных условиях, включающую измерение сигнала, соответствующего нулю, и измерение эталонного сигнала, полученные значения заносят в энергонезависимую память в виде кода нуля и кода эталонного значения и используют в дальнейшем в процессе эксплуатации для выполнения коррекции значений измерений, выполненных с произвольным уходом параметров схемы измерения; в процессе эксплуатации осуществляют цикл измерения, включающий измерение поступающих сигналов по всем N+2 входам с последующей низкочастотной фильтрацией значений, полученных в цикле измерения, для уменьшения влияния помех в тракте измерения, в каждом цикле измерения определяют код коррекции нуля как разность кода измеренного нулевого значения и кода нулевого значения, полученного при калибровке, и коэффициент коррекции коэффициента усиления как отношение разности кода значения сигнала, полученного при измерении сигнала эталонного источника, и кода коррекции нуля к разности кода значения эталонного напряжения при калибровке и кода значения нуля при калибровке, после чего осуществляют коррекцию измерений по N измерительным входам путем умножения разности значения, полученного по N входу (N изменяется от 1 до N), и кода коррекции нуля на коэффициент коррекции коэффициента усиления. Данный способ реализуется с помощью аппаратно-программного комплекса, содержащего источник сигнала, N выходов которого подключены к соответствующим измерительным N входам коммутатора аналоговых сигналов, выходом подключенного через нормирующий усилитель к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом управляющего вычислительного комплекса, первая выходная шина которого соединена с входной шиной аналого-цифрового преобразователя, а вторая выходная шина соединена с входной шиной коммутатора аналоговых сигналов, в который дополнительно введены источник напряжения нуля и источник эталонного напряжения, выходы которых подключены соответственно к (N+1) и к (N+2) входам коммутатора аналоговых сигналов.

Представленное техническое решение при высокой линейности характеристик современных АЦП и высокой стабильности выходного напряжения современных источников опорного напряжения (используется в качестве источника эталонного напряжения) позволяет с необходимой точностью осуществлять коррекцию погрешностей смещения нуля и дрейфа коэффициента усиления, вызванных температурной и временной нестабильностью элементов тракта измерения, достаточно простыми средствами.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, на фиг.2 приведена диаграмма, поясняющая сущность предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит источник 1 входных (измеряемых) сигналов, выходы которого соединены с измерительными N входами коммутатора 2 аналоговых сигналов, (N+1)-й вход которого подключен к выходу источника 3 напряжения нуля, a (N+2)-й вход соединен с выходом источника 4 эталонного напряжения, выход коммутатора 2 аналоговых сигналов через нормирующий усилитель 5 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, выход которого соединен с входом управляющего вычислительного комплекса (УВК) 7, первая выходная шина УВК 7 подключена к входной шине АЦП 6, а вторая выходная шина УВК 7 соединена с входной шиной коммутатора 2 аналоговых сигналов. Коммутатор 2 аналоговых сигналов представляет собой селектор каналов, который может быть выполнен, например, на микросхеме аналогового мультиплексора ADG408, нормирующий усилитель 5 может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя, аналого-цифровой преобразователь 6 реализован на микросхеме АЦП, управляющий вычислительный комплекс 7 представляет собой микроконтроллер, который может быть выполнен, например, на микросхеме типа 80С51.

Предлагаемый способ с помощью описанного устройства реализуется следующим образом.

В процессе настройки (перед началом эксплуатации) выполняют калибровку устройства в нормальных условиях, для этого входы (N+1) и (N+2) коммутатора 2 аналоговых сигналов, на которые поданы соответственно сигналы с выхода источника 3 нулевого напряжения и источника 4 эталонного напряжения, подключают последовательно к входу нормирующего усилителя 5 для выполнения измерений значений этих сигналов. Измерения выполняют с помощью аналого-цифрового преобразователя 6. Измеренные значения в виде кодов К_кал.0 (код значения нуля при калибровке) и К_{кал. эт.} (код значения эталонного напряжения при калибровке) запоминают в энергонезависимой памяти УВК 7. Измерения в процессе эксплуатации выполняют следующим образом: измеряют сигналы, поступающие с выходов источника 1 сигналов на N измерительных входов коммутатора 2 аналоговых сигналов, и с выходов источника 3 нулевого напряжения и источника 4 эталонного напряжения - на (N+1) и (N+2) входы коммутатора 2 соответственно. После получения измеренных значений по всем (N+2) входам осуществляют низкочастотную фильтрацию сигналов для уменьшения влияния шумов и помех в тракте измерения. В каждом цикле измерения вычисляют код коррекции нуля К_корр.0 и коэффициент коррекции коэффициента усиления М_корр.у с помощью УВК 7:

К_корр.0=К_изм.0-К_кал.0,

где К_изм.0 - код значения сигнала, полученного при измерении нулевого значения сигнала от источника 3;

М_корр.у=(К_изм.эт.-К_корр.0)/(К_кал.эт-К_кал.0),

где К_изм.эт. - код значения сигнала, полученного при измерении сигнала эталонного источника 4.

Далее, для коррекции значений сигналов, полученных по N измерительным входам, осуществляют программную коррекцию измеренных значений с помощью УВК 7:

К_корр.N = (К_изм.N-К_корр.0) М_корр.у,

где К_изм.N - код значения сигнала, полученного от источника 1 сигналов по входу N (N изменяется от 1 до N) в цикле измерения;

K_kopp.N - скорректированное значение по входу N (N изменяется от 1 до N). Таким образом определяют код коррекции нуля и коэффициент коррекции коэффициента усиления во всех циклах измерения, а также осуществляют коррекцию измеренных значений по всем измерительным входам от 1 до N. Предлагаемый способ с помощью описанного устройства позволяет с достаточно высокой точностью осуществлять коррекцию погрешностей смещения нуля и дрейфа коэффициента усиления, вызванных действием температуры и долговременной нестабильностью применяемых компонентов при минимальных аппаратных и программных издержках.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №984030, МПК Н03К 13/02, опубл. 23.12.1982.

2. Патент РФ №2334355, МПК Н03М 1/10, Н03М 1/06, опубл. 20.09.2008.

3. Патент РФ №2352060, МПК Н03М 1/10, опубл. 10.04.2009.

1. Способ коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, включающий аналого-цифровое преобразование исходного сигнала и отождествление его с эталонным сигналом, отличающийся тем, что перед началом эксплуатации в процессе настройки выполняют калибровку устройства в нормальных условиях, включающую измерение сигнала, соответствующего нулю, и измерение эталонного сигнала, полученные значения заносят в энергонезависимую память в виде кода нуля и кода эталонного значения и используют в дальнейшем в процессе эксплуатации для выполнения коррекции значений измерений, выполненных с произвольным уходом параметров схемы измерения, далее в процессе эксплуатации осуществляют цикл измерения, включающий в себя измерение поступающих сигналов по всем N+2 входам с последующей низкочастотной фильтрацией значений, полученных в цикле измерения, для уменьшения влияния помех в тракте измерения, в каждом цикле измерения определяют код коррекции нуля как разность кода измеренного нулевого значения и кода нулевого значения, полученного при калибровке, и коэффициент коррекции коэффициента усиления как отношение разности кода значения сигнала, полученного при измерении сигнала эталонного источника, и кода коррекции нуля к разности кода значения эталонного напряжения при калибровке и кода значения нуля при калибровке, после чего осуществляют коррекцию измерений по N измерительным входам путем умножения разности значения, полученного по N входу (N изменяется от 1 до N), и кода коррекции нуля на коэффициент коррекции коэффициента усиления.

2. Устройство для коррекции погрешностей аналого-цифрового преобразования, содержащее источник сигнала, N выходов которого подключены к соответствующим измерительным N входам коммутатора аналоговых сигналов, выходом подключенного через нормирующий усилитель к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом управляющего вычислительного комплекса, первая выходная шина которого соединена с входной шиной аналого-цифрового преобразователя, а вторая выходная шина соединена с входной шиной коммутатора аналоговых сигналов, отличающееся тем, что в него введены источник напряжения нуля и источник эталонного напряжения, выходы которых подключены соответственно к (N+1) и к (N+2) входам коммутатора аналоговых сигналов.