Устройство аналого-цифрового преобразования

(51)4 Н 03 МйЮ"цГ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЧТЬТя 3сВЛ ББЛО,МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ А ВТО 2АНАЛОГО в ЦИФР(54) ПРЕО (57) УСТРОЙСТВОРАЗОВАНИЯИзобретениеерительнойройствам прнформации виспользован эле тносится 30,Солодимоваолодимов тиос технике, в ч еобразования цифровую, и о для постро роиз к ус л,Г.АА.А.С8)дания преобразовамации. Тезисы док го симпозиума.6-119.гетельство ССС 03 М 1/10, 18 налогоожетия быть быстр преоб Введе корре ющего точно деис азов ующих анаг елей повь стройство ого-цифровых.енной точности. ировате ние Р.05,87 преобраэова путем интер 2 табл,эобрете ией ится к элек час змерительн устройствоной йнфор нике, в тобразования в цифровую,для работы аналоации жетцифть использован тельных системахокации, цифроввляется усовершео авт. св сис мери цилых мах тво т н 1 ва ием ус роиства п В 398093.Цель изобретения ности устройства,ыше т альфро -ог 2ормиро- блока иаграммы нкцио- оррекГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИ ПРИ ГКНТ СССР(56) Проблемы сотелей формы инфоладов Ч ВсесоюзнКиев, 1984, с. 1Авторское свиВ 1398093, кл. Н На фиг. 1 приведена функная схема устройства аналвого преобразования, на фигфункциональная схема блокавания образцовых сигналов иуправления (а); временные дих работы (б); на фиг. 3нальная схема формирователятирующего сигнала. тирующего сигнала и коммутируустройства позволяет повысить ляции внутри кванта. 3 з.п, ф-лы,Устройство (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь 1 п старших разрядов (АЦП ст.р.), регистр 2 памяти (Рег. ПАМЯТИ), арифметико-логичеСкое устройство 3 (АЛУ), выходной И-разрядный регистр 4, элемент 5 задержки, усилитель 6 разности (УР), аналого-цифровой преобразователь 7 младших разрядов (АЦП мл.р.), цифро-аналоговый преобразователь 8 (ЦАП), постоянное запоминающее устройство 9 (ПЗУ), блок 10 управления, цифровой сумматор 11 (ЦС), оперативное запоминающее устройство 12 (ОЗУ), переключатель 13, элемент ИЛИ 14, блок 15 формирования образцовых сигналов, формирователь 16 корректирующего сигнала, коммутирующее устройство 17 (КУ), выполненное на ключе 18 и резисторе 19. Усилитель 6 содержит операционный усилитель 20 и резистор 21 обратной связи.1501268 Составитель В.МахнановТехред М.яндык Корректор М. Шароши Редактор А,Маковская Заказ 4891/56 Тираж 884 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 10140 50 3 150126Блок 15 формирования образцовых сигналов и блок 10 управления (фиг.2) содержат узел 22 задания режимов, источник 23 опорного напряжения и блок 24. Узел 22 задания режимов5 содержит первый 25, второй 26 и третий 27 переключатели. Блок 24 выпол-нен на элементе И 28, счетчике 29 импульсов (СТ), первом триггере 30, элементах ИЛИ 31, 32, генераторе 33 импульсов (ГИ), втором триггере 34,Блок 10 управления выполнен на трех элементах 35 задержки и четырех формирователях 36 импульсов (ФИ).Формирователь (ФКС) корректирующего сигнала (фиг. 3) содержит постоянное запоминающее устройство 37 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 38 (ОЗУ), малоразрядные 20 цифроаналоговые преобразователи 39 и 40 (ИЦАП); цифровой сумматор 41 включает в себя сумматоры 42 и 43.Рассмотрим работу устройства на конкретном примере. Пусть число 25 разрядов Б всего устройства, включая знаковый разряд, равно 11, число разрядов и АЦП ст.р. 1 равно 4; ЛЦП мл,р, 7: 1 - и + ш = 8 (где ш 1 число разрядов коррекции), диапазон 30 входного сигнала 1 = - 1,024+1,014 В.В качестве узла 8 используется быстродействующий интегральный ЦАП (например, типа 1118 ПА 1) низкой точности, Инструментальная погрешность такого ЦАП значительна и превышает в несколько раэ требования, предъявляемые к узлу 8 н составе устройства АЦ-преобразования.Допустим, что значения разрядных уровней ЦАП 8 с учетом их инструментальных погрешностей равны:К 1128 - 1,25 = 126,75 мВ; О= 256 + + 2 = 258 мВ; Пкз = 512 - 2,25 - 509,75 мВ, П = - 1024 + 4 = в 10 мВ. Значения всех остальных уровней определяются линейной комбинацией разрядных уровней (для упрощения примем также смещение нуля усилителя 6 разности равным нулю).На этапе изготовления и настройки устройства, при нормальных условиях определяются погрешности ЦАП 8, присущие каждому уровню, и записываются в цифровой форме с учетам55 знака: целые значения (единицы Мв) в ячейки ПЗУ 9, дробные (доли мВ) в ячейки ФКС 16. При этом ве,. мпадшега разряда ПЗУ 9 соответствует,1 мВ, значительна меньше ступениквантования всего АЦП и, допустим,равен 0,25 мВ,Адресом каждой ячейки ПЗУ 9 и ФКС16 является соответствующий код АЦПст.р, 1 (см, табл, 1, составленнуютлк для положительногосигнала О; для отрицательного диапазона входного сигнала алгоритм коррекции аналогичен положительномудиапазону).В процессе эксплуатации устройство может быть работоспособным в двухрежимах - в режиме Измерение" и врежиме "Контроль".В режиме Измерение 1 переключатель13 устанавливают в положение "И", приэтом на вход АЦЛ ст,р. 1 подается сигнал П= 640,1 мВ. После стробирования АЦП ст.р. 1 формируется код +101,который с помощью ЦАП 8 преобразуется в компенсирующее напряжение П , =(128-1,25)+(512-2,25) = 636,5 мВ,По коду старших разрядов +101 производится выборка кодов основной погрешности: кода иэ ячейки ПЗУ 9:-011(-3 мВ) и кода дробной части изячейки ФКС 16 10 (0,5 мВ) (см.табл.1),Код дробной части погрешности с помощью ФКС 16 преобразуется в корректирующее напряжение кзнак которогопротивоположен знаку погрешности.Напряжение П суммируется (с учетомзнака) с компенсирующим напряжениемПи сравнивается с входным напряжениемс помощью усилителя 6 разности, Раэностный сигнал (П- Ж 1, ++ П)3, установившийся на входе УРпреобразуется АЦП мл.р. 7 после егостробирования в код, который складывается в цифровом сумматоре 11 с кодом целой части основной погрешностизаписанной в ПЗУ 9. В рамках рассматриваемого примера П- Й ор+ Пк)- 640,1 - (636,5 + 0,5) = 3,1 мВ. Навыходе АЦП мл,р. 7 имеем код:+0000011 (3 мВ), код на выходе цифрового сумматора 11 определяется как+00000 11 - 0 11 = +0000000 Выходнойкод всго устройства равен+1010000000,что эквивалентно сигналу П , = 640 мВ,Погрешность преобразования устройства составит 640, 1 - 640 = О, 1 мВ.При желании ее можно уменьшить,уменьшив ступени квантования дробнойчасти или (что равносильно) повысивразрядность обоих МЦАП в ФКС 16).501268 5 1При работе устройства в условиях,отличных от нормальных, появляетсядополнительная инструментальная погрешность. Коррекция погрешности спомощью предварительной ее записи вПЗУ 9 и ПЗУ 37 в ФКС 16 теряет своюэффективность, так как не приводитк ее компенсации,Так, в рамках условий рассмотренного выше примера можно допустить,1 что разрядные уровни ЦАП 8 при наличии дополнительной погрешности изменились и стали равны: ц 1, = 126,752,5 = 124,25 мВ; 0 = 258 ++ 3,25 = 261,25 мВ; ц= 509,753,9 = 505,85 мВ,В этом случае коды целой частидополнительной погрешности хранятсяв ОЗУ 12, а коды дробной части записываются в ОЗУ 38 ФКС 16. Записькодов дополнительной погрешностиосуществляется в соответствии стабл. 2, составленной для положительного входного сигнала 0.При преобразовании входного сигнала, например при 1 = 640,1 мВполучим коды - АЦП ст.р. 1: +10,ПЗУ 9: -011 (-3 мВ); ОЗУ 12: - 110(+9 мВ), что соответствует разностному сигналу 0 - (0 1 + 0 )х к кор640,1 - (124,25 + 505,85 + 0,5 ++ 0,51 = 9 мВ. После сложения кодовАЦП мл.р. 7 с кодами ПЗУ 9 и ОЗУ 12в цифровом сумматоре 11 получим кодмладших разрядов устройства:+000 100 -О 11 в 1 = +0000000 . Приэтом код всего устройства И =+100000000, что соответствует0 =- 640 мВ. Погрешность преобразования в рассматриваемом примере составляет 0,1 мВ. Определение и запись кодов дополнительной погрешности проводится в режиме Контроль", В этом режиме устройство переводится установкой переключателя 13 в положение "К". На вход АЦП ст р, 1 с выхода блока 15 формирования образцовых сигналов поступает ступенчатое напряжение, уровни которого соответствуют значениям идеальных уровней ЦАП 8. 6Определение и запись кодов дополнительной погрешности осуществляютв два этапа. На первом этапе - этапе"грубой оценки" погрешности - при5подаче очередного уровня образцового напряжения на вход АЦП ст.р. 1после запуска устройства на выходецифрового сумматора 11 формируетсякод, численно равный значению целойчасти дополнительной погрешности,По сигналу с блока 15 этот код записывается в ячейку ОЗУ 12, адрес которой соответствует коду АЦП ст.р. 1в данном такте коррекции. На второмэтапе - этапе уточненной оценкипогрешности - по сигналу с шестоговыхода блока 15 размыкается ключ 18коммутирующего устройства 17, что2 О приводит к увеличению коэффициентаусиления усилителя 6 разности. Врезультате этого на выходе АЦП мп.р.7 формируется код, численно равныйуточненному значению дополнительнойпогрешности, Этот код поступает навход ФКС 16, который выделяет коддробной части дополнительной погрешности и осуществляет запись его покоманде с блока 15 в ячейки своего30 ОЗУ 2.При поступлении сигнала Конецпреобразования" с четвертого выходаблока 1 О управления разрешается установка следующего уровня образцового напряжения. После формирования35последнего уровня образцового напряжения происходит остановка блока 15,что свидетельствует об окончании процесса контроля,Блок 15 формирования образцовыхсигналов и блок 10 управления БУ 10(фиг. 2) работают следующим образом,В исходном состоянии переключатели 25-27 узла 22 задания режимов ус 45танавливают в положение, показанноена фиг, 2. Перед началом режима "Конт 1роль переключатель 25 переводят впротивоположное положение, при этомпрекращается процесс обнуления ОЗУ12 (фиг. ) и ОЗУ 38 формирователя5016 (фиг. 3) и через элемент И 28 триггер 30 устанавливается в единичноесостояние. Это дублирует сигнал зап-рета на первом управляющем входе ге.нератора 33 импульсов. Далее одновре 55 менно с переключателем 13 устройства(фиг. ) переключается переключатель25, что приводит к обнулению двоичного счетчика 29 и подаче сигналаразрешения (логического О) ца втс- рые входы элементов ИЛИ 31 и 32 и второй управляющий вход генератора 33. По нулевому коду счетчика 29 источник 23 опорного напряжения формируе.т на 5 пряжение, соответствующее идеальному значению напряжения для точки шкалы АЦП (й, = в 10 мВ), После такой подготовки блок 15 готов к работе,10При необходимости коррекции дополнительной ицструмецтдльной погрешноснажимают кнопки (переключатель) 2/, и триггер 30 запускает генератор 33 импульсов, обеспчивдющий периидичский ззпуск АЦП (см. диаграмму импульиц Запуск ца фиг. 2 б), Триггер 34, цлючеццыц по схеме делителя частоты,рц дит рдспределеццс тактов рдбо гы устройства АЦ-преобра:ивд - 20ния цд тдк 1 ырубин и уточненнойоценки по 1 решцости: при наличии ца выход Ц григгерд 3 ч лсгического 0 (см, диаграмму импульсовВыходТг 34) осуществляется "грубая" 25 оценка пгрешности, логической 1уточненная оценка, Сигналим "Конецпробразования с четвертого выхидд блока 10 управления через элемент ИЛИ 32 привидится запись кодов целой 30 погрешни .тц ц ОЗУ 12 (тактгрубой" ицсцки), . через элемент РНИ 31 запись код 1 в дробной части (тдкт "уточннцой" с.ц нки) в ФКС 16 (см. ди. рамму и;пульсов "Запись в ОЗУ 12" и Запись в ФКС 16 ца фиг, 2 б), Им 35 пульсом "Запись в ФКС 16" с выхода элемента ИЛИ 31 изменяется состояци счетчика 29 импульсов цд единицуц устанавливается следующее зцд ение с 1 бразципсго уровня напряжения и т. д,Сигнал переполнения счетчика 29 через элемент И 28 переводцз триггер 30 в исходное состояние, ос 1 днав 1 ивдя тем сдмь 1 генератор 33 ин ульи гц.45 Ото свидетельствус т об икон цнии процесса коррекциц погрешности, При переводе переключателей 13 (фц. 1) и 25 (фиг. 2) в положение "И" устройство АЦ-преобразования готова к рдооте ц реальных условиях.50Формирователь 16 корректируюшегс сигнала ФКС (фиг. 3) работает следующим образом.При корркции основной погршцисти напряжение корректирующего сигналаснимается с выхода малирдзрядниго МЦАП 3 (в заявленном устриц тве МЦАП 3 и МЦА 11 4 реализованы цд преиб развателях код - ток), пробрдзующео коды дробной части осцонций пс -решцости, записанной в 11 ЗУ 1 наэтапе изготовлеция и настройки устройства АЦ-преобразования. При коррекции дополнительной погрешностинапряжение Б , определяется суммойвыходных цдпряжс.ции токов МЦАП 3и МЦАП ч, прц этом МЦАП 4 преобразус т ксды дробных частей дополнительной погрешности, записанной в ОЗУ 2.Коды дробных частей дополнительнойпогрешности выделяются цифровым сумматором 41, вычитдющим из кодов уточненцсй оценки погрешности, снимаемых с. выхода АЦП мл.р, 7 устройства(Фиг, 1), код грубой оценки, чис -лениг равный целой части по решцости. Коды целой части исьциццой 13грсшцисти записаны в ПЗУ 9, дополнитльцой пигрешцости - в ОЗУ 12,Рдссмотрим запись кодов допилцительцоц погрешности на примере.Пусть в режиме Контрольна входАЦП ст.р. 1 подается образцовое напряжение Б; = 640 мВ. Б условияхвлияния дополнительной погрешностина выходе УР 6 разность Г- (1, +Цо + (1 к, + к,Р) = 640 - (124,25++ 505,85 + 0,51 = 5,4 мВ (см, табл,1 и 2). На выходе цифровогс, суммато-,ра 11 ца этапе грубой оценки фирми.рует я код, равный (табл, 1) суммекодов ПЗУ 9 и АЦП мл,р. 7 (в начальный момент контроля коды ОЗУ 12 иОЗУ 18 Формирователя 16 равны нулю):+0001001 + (-011) = +0000 110. Получецц.и код эквивалентен целой частидополнительной погрешности, в ятойс противоположным зцдком, т.е. -6 мВ(тдб;. 2) . 11 цверсц а знака погрешности ч.жнс произвести при выполненииоперации сложения в ЦС 11 цлц призапцц цспоредствеццо кры цогрешности в ОЗУ 12,Нд этапе уточненной оценки по. -грешнос.ти увеличивается коэффициент усиления Еусилителя 6 разности, например, в четыре раза. Это эквивалентно уменьшению значения ступени квантования АЦП мл.р. 7 и для рассматриваемого примера составляет " 0,25 мВ. Тогда при преобразованиинапряжения КУу-+ Ц 1 р 1149,4 = 37,6 мВ на выходе АЦПмл.р. 7 получаем код +01001,10, числнное значение котс, рого, приведенное к входу усилителя 6 разности,15012составит 9,5 мВ, причем два младших разряда АЦП мл.р. 7 ца этом этапе несут информацию о дробной части погрешности. ФКС 16 вычитает иэ кода ЛЦП мл.р. 7 коды целой части основ 5 ной (записанной в ПЗУ 9) и дополнительной (записанной. в ОЗУ 12) погреш-. ностей: +0 100 1,10 - (0 1,00 + 110,00) = +0000,10 (мВ). Коды двух младших разрядов записываются в ОЗУ 38 ФКС 16 по адресу + 101 (табл. 2) .Из описания работы устройства следует, что учет и компенсация дробных частей погрешности позволяют свести к минимуму погрешность, вызванную самим методом цифровой коррекции, и повысить точность устройства АЦ-преобраэования. Действительно, .собственно методическая погрепьцость устройства АЦ-преобразования составляет +о/2 (где о -вес младшего разряда, ступень квантования устройства). Погрешность, обусловленная методом цифровой коррекции устройства ,прототипа, определяется весом младшего разряда ПЗУ 9 и ОЗУ 12 и составляет еще т/2. Суммарная методическая погрешность АЦП составит, таким образом, фс. В предлагаемом устройстве погрешность, вызванная собственно методом цифровой коррекции, определяется весом младшего разряда ПЗУ 37 и ОЗУ 38 Формирователя 16 корректирующего сигнала и составляет +ц/К, причем погрешность узлов35 цифровой корекции в устройстве можно свести к минимуму путем увеличения коэффициента усиления К усилителяУ6 разности и повышения разрядности ПЗУ 37 и ОЗУ 38 ФКС 16, Таким образам, суммарную по 1 решность устрой - ства можно свести до значенияо/2.Так, в рамках условий рассмотренных вьппе примеров прц преобразовании Б к = 640,1 мй устройством-прототипом45 при нормальных условиях имеем: код АЦП ст.р. 1: +101, разностцый сигнал на выходе усилителя 6 разности Б-Б к 640 (126 ф 75 + 50975640,1 - 636,5 0 3,6 мВ, При преоб разовании раэцостцого сигнала 3,6 мВ на выходе АЦП мл.р. 7 после его стробирования устанавливается код +0000 100, что эквивалентно входному напряжению 4 мВ (в устройствах АЦ преобразования границей перехода от одного кванта к другому принято считать напряжение Г+ ц/2, где Б-68Онапряжение, соответствующее коду М).Выборка кода основной погрешностииэ ПЗУ 9 проходит по коду +101 и соответствует (табл. 1) коду в 0(-3 мВ). Код на выходе цифрового сумматора 11 определяется как +0000 100 - 011 = 0000001. Выходной код всегоустройства равен +100000001, чтоэквивалентно сигналу 64 1 мВ. Погрешность преобразования устройства-прототипа составляет 640, 1 - 641- -0,9 мВ (в отличие от О, 1 мВ впредлагаемом устройстве).В условиях влияния дополнительной погрешности при преобразовании= 640,1 мВ устройством-прототипомполучают соответствеццо коды: АЦПст.р. 1: +01; ПЗУ 9: -011 (3 мВ);ОЗУ 12; - 110 (6 мВ); раэностный сигнал на выходе усилителя 6 разностиБ- 13 = 640, 1 - (124,25 + 505,85)=1 О мВ. На выходе ЛЦП мл.р. 7 получают код +000 1010 (1 О мВ), Код навыходе цифрового сумматора 11 определяется как +00010 10 - 01 1 - 110- +0001010 - 100 1 = +000000 1, приэтом код всего устройства равен+1010000001, что соответствует 1 =641 мВ, Погрешность преобразованияустройства-прототипа составит 640,1 -641 = -0,9 мВ (в отличие от 0,1 мВв предлагаемом устройстве),Таким образом, учет и компенсациядробных частей погрешности в предлагаемом устройстве позволяют повыситьточность АЦ-преобразования по сравнению с устройством-прототипом в несколько раэ,Формула изобретения1. Устройство аналого-цифрового преобразования по авт. св. У 1398093, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены коммутирующее устройство и формирователь корректирующего сигнала, адресный вход которого соединен с выходом аналогоцифрового преобразователя и старших разрядов, первый, второй и третий информационные входы подключены соответственно к выходам постоянногои оперативного запоминающих устройств и выходам аналого-цифрового преобразователя младших разрядов, а вхолы обнуления и записи подключены соответственно к второму и пято 11 150126му выходам блока формирования образцовых сигналов, выход формирователякорректирующего сигнала подключенк второму входу усилителя разности и5входу коммутирующего устройства,выход которого подключен к выходуусилителя разности, а управляющийвход соединен с шестым выходом блокаформирования образцовых сигналов, при 10этом пятый выход блока управлениясоединен с пятым входом блока формирования образцовых сигналов.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что формиро -ватель корректирующего сигнала выполнен на постоянном и оперативном запоминающих устройствах, двух цифроаналоговых преобразователях и цифровомсумматоре, причем адресным входом 20блока являются соответствующие адресные входы постоянного и оперативногозапоминающих устройств, первым, вторым и третьим информационными входами являются соответствующие первый, 25второй и третий входы цифрового сумматора, входами обнуления и записиявляются входы обнуления и записиоперативного запоминающего устройства, выходом блока являются объединен- З 0ные выходы цифроаналоговых преобразователей, входы которых подключенык выходам соответственно постоянногои оперативного запоминающих устройств,выход цифрового сумматора подключенк информационному входу оперативногозапоминающего устройства.3. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что коммутирующее устройство выполнено на последо 40вательно соединенных ключе и резисторе, причем входом блока является информационный вход ключа, управляющийвход которого является управляющимвходом блока, выходом которого является свободный вывод резистора.4. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок формирования образцовых сигналов выполненна источнике опорного напряжения, пер 50вом, втором и третьем переключателях,8 12двух элементах ИЛИ, счетчике импульсов элементе И, двух триг герах ие - нераторе импульсов, причем первым, вторым и третьим входами блока являются соответственно управляющие входы первого, второго и третьего переключателей, а первым выходом - выход источника опорного напряжения, входы которого соединены с соответствующим информационными выходами счетчика импульсов, вход обнуления которого объединен с первым управляющим входом генератора импульсов, первым входом первого элемента ИЛИ и подключен к выходу первого переключателя, первый и второй входы которого объединены соответственно с первыми и вторыми входами второго и третьего переключателей и являются соответственношинами логического нуля и единицы, выход второго переключателя соединен с первым входом элемента И и является вторым выходом блока, третьим выходом которого является выход первого элемента ИЛИ, второй вход которого является четвертым входом блока, выход переполнения счетчика импульсов соединен с вторым входом элемента И, выход которого подключен к входу установки в "1" первого триггера, прямой выход которого соединен с вторым управляющим входом генератора импульсов а вход установки "О" подключен к выходу третьего переключателя, выход генератора импульсов является четвертым выходом блока, а первый вход второго элемента ИЛИ является четвертым входом блока, второй вход объединен с первым входом первого элемента ИЛИ, а третий вход объединен с информационным входом второго триггера и подключен к его инверсному выходу, выход второго элемента ИЛИ соединен со счетным входом счетчика импульсов и является пятым выходом блока, пятым входом которого является счетный вход второго триггера, прямой выход которого подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ и является шестым выходом .блока,501268 3 Таблица ФКС 16 (ПЗУ 37) ПЗУ 9 Код Код Аналоговый эквивапент, мВ(код МАЦПст,р.) Аналоговыеэквиваленты поГрешостей, мВ Аналоговые эквиваленты логрешностей,мВКакому идеальномууровню ЦАП 8соответствует, мВ в 10128256128+256=3845125 12+ 128=640 512+256=768512+256+28=896 Калдомуидеальномууровню ЦАП 8соответствует, мВ 128256128+256=384512512+128=