Устройство аналого-цифрового преобразования

СОЮЗ СОЕЕТСНИКСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУбЛИН С 1 1 Ц ц кр Н ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ ИпРи Гннт сссР а ПИСАНИ я для построен аналого-пиФр быть использовано быстродействующих преобразователей п и является усоверш ройства по авт. св изобретения - упра за счет сокращения ности о выше 15А,Со вованием уст. Цель е устройства ема памяти ного запоминаю- устройстве вестное стенс имова цен объ ьство ССС 1/1 О, 1986 -ЦИФРОВОГ операв, Но ивно м в оянног щах (стр является ен ройство доративногощих чстройи цифроанал3 з,п, ф-л 1 х блоков; опеого запоминаювого сумматорареобразователя,толнитель и постоян тся к электро"в частности тв, цифроогового и3 ил налон таб ую, м ительного цифвателей.ройство содерпреобразовате ого-цифр.их разр у рово(57) Изобретение относизмерительной технике,к устройствам преобразговой информации в циф Изобретение относится к электро- измерительной технике, в частности к устройствам преобразования аналоговой информации в цифровую, может быть использовано для работы в цифровых измерительных системах, системах радиолокации, цифровых осцилографах и т,д. й является усовершенствованием устройства по авт, св; У 1398093.Цель изобретения - упрощение устройства за счет сокращения объема памяти постоянного и оперативного запоминающих устройств,На фиг,1 представлена схема устройства; на фиг,2 - формирователь образцовых сигналов и блок управления; на фиг,3 - схемы основного и дополн роаналоговых пре" образо дов 1 (АЦП), регистр 2 памяти, арифметико-логическое устройство 3, выходной И-разрядный регистр 4, элемент 5 задержки, усилитель б разности, аналого-цифровой преобразователь младших разрядов 7 (АЦП), цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП), постоянное запоминающее устройство 9 (ПЗУ), блок 10 управления, цифровойсумматор 11, оперативное запоминаю- щее устройство 12 (ОЗУ), переключатель 13, элемент ИЛИ 14, формирователь 15 образцовых сигналов и дополнительные узлы: ПЗУ 16, ОЗУ 17, цифровой сумматор 18 и ЦАП 19,Цифровой сумматор 11 состоит из двух последовательно соединенных циф" ровых сумматоров 20 и 21, Формирователь образцовых сигналов 15 и блок 10 управления (фиг,2) содержат блок 22 задания режимов блок 23 синхронизаций и источник 24 опорного на1559405 Составитель В,МахнаховТехред А.Кравчук Корректор С.Шевку Редактор Н,Лазарен одпис ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,аказ 841НИИПИ Госу Тираж бббвенного комитета по изобретения113035, Москва, Ж, Раушская и открытиям при ГКНТ СССРб., д. 4/530 пряжения, Блок 22 задания режимовсодержит первый 25, второй 26, третий 27 и четвертый 28 переключатели,Блок 23 синхронизации выполнен наэлементе ИЛИ 29, счетчике ЗО, эле 5менте И 31, триггере 32, генераторе33 импульсов, дополнительном триггере 34, одновибраторе 35.Блок 10 управления выполнен натрех элементах 36-38 задержки и пяти формирователях 39-43 импульсов(ФИ)Каждый формирователь импульсов состоит из двух элементов И 44и 45 и элемента 46 задержки,15Устройство работает следующим образом,Пусть число разрядов всего устройства, включая и знаковый разряд,равно 11 = 11, число разрядов АЦПстарших разрядов единица: и4, АЦПмладших разрядов: Б-и+ш = 8 (гдеш = 1 - число разрядов коррекции),диапазон входного сигнала Пх= -1,024 В- +1,024 В. В качестве узла8 используется низкоточный быстродействующий интегральный ЦАП, Инструментальная погрешность такого ЦАПзначительно превышает (в несколькораз) требования, предъявляемые кузлу 8 в составе устройства АЦ-преобразования,Допустим, что значения разрядныхуровней ЦАП 8 с учетом их инструментальных погрешностей равны П, =128 - 9 = 19 мВ; П = 256- 10=д 246 мВ; Пкз= 512 - 28 = 484 мВ;Ц-1024 +48 = -976 мВ, значенияКвсех остальных уровней ЦАП 8 определяются линейной комбинацией разрщных уровней (для упрощения примемтакже смещение нуля усилителя 6 разности равным нулю).Как известно из теории погрешностей, погрешность любого измеритель. 45ного преобразователя можно разделитьна три составляющие: аддитивную (погрешность нуля), мультипликативную .(погрешность масштаба) и погрешностьнелинейности, Для рассматриваемогопримера мультипликативная составляющая погрешности ЦАП 8 составляет+48 мВ (погрешность в крайней точкешкалы ЦАП 8 Пх = -1024). В случаеФее исключения можно получить следующие значения разрядных уровней ЦАП8: Пх-1024 мВ; Цх = 508 мВ 1 Пхщ 258 мВ; 11 х125 мВ. ОставшиесяКзначения погрешностей составляют погрешность нелинейности ЦАП 8, вдальнейшем будет считать, что погрешность нуля входит в погрешностьнелинейности. Из приведенного примера видно, что мультипликативная погрешность вносит наибольший вес всуммарную погрешность ЦАП 8, Следовательно, разделение операций коррекции мультипликативной погрешностии погрешности нелинейности позволитсущественно сократить аппаратурныезатраты цепей коррекции устройства,С учетом сказанного на этапе изготовления и настройки устройствапри нормальных условиях экспериментально определяются инструментальные погрешности ЦАП 8, присущие каждому выходному уровню, в том числеи выходному уровню крайней точкишкалы ЦАП 8,На этапе изготовления и настройки АЦП в ОЗУ 12 и ОЗУ 17 записанынулевые коды, В ПЗУ 6 записываетсяв цифровой форме с учетом знакамультипликативная погрешность ЦАН 8,что для рассматриваемогопримерасоставляет -110000 аналоговый эквивалент погрешности 48 мВ., далеекод ПЗУ поступает на входы ЦАП 19,который преобразует код мультипликативной погрешности в аналоговыйсигнал, изменяющий масштаб ЦАП 8,Это позволяет записать в ПЗУ 16 кодытолько погрешности нелинейности,Адресом каждой ячейки ПЗУ 9 являетсякод АЦП с,р, 1, Данные настройкиАЦП приведены в табл,1, составленной для положительного входного сиг"нала 11 хВ процессе эксплуатации устройство может работать в двух режимах: в режиме непосредственного преобразования (измерения) и в режиме коррекции погрешностей (контроля)В режиме измерения переключатель 13 устанавливается в положение И, при этом на вход АЦП 1 подается сигнал Пх. Пусть Пх = 640 мВ, После стробирования АЦП 1 формируется код + 101, который с помощью ЦАП 8 преобразуется в компенсирующее напряжение П, очищенное от мультипликативной погрешности и равное 11= (128 - 3) + + (512 - 4) = 633 мВ, Разностный сигнал Пх - 11 к = 640 - 633 = 7 мВ, установившийся на выходе усилителя 6 разности, после стробирования АЦП(+7 мВ), По коду старших разрядов+101 из ячейки ПЗУ 9 с этим адресомпроизводится выборка кода основнойпогрешности, равного -111 (-7 мВ),который складывается в цифровомсумматоре 11 с кодом АЦП 7: -111 ++ 0000111 = +0000000, При этом выходной код всего устройства соответствует входному сигналу 640 мВ,т,е, +100000000.Однако при .работе устройства вусловиях, отличных от нормальных,появляется дополнительная составляющая инструментальной погрешностиЦАП 8 и усилителя 6 разности, Коррекция погрешности с помощью ПЗУ 9и 16 теряет эффективность, т.е. неприводит полной компенсации погрешности, в результате чего значительно (в несколько раз) возрастает общая погрешность устройства АЦ-преобразования,Следует отметить, что составляющие дополнительной погрешности изменяются, как правило, не одинаково,Так, дополнительная мульткпликативная погрешность вызвана изменениемабсолютных значений параметров устройства (в частности, дрейфом источника опорного напряжения) к в несколько раз превышает дополнительнуюпогрешность нелинейности, обусловленную изменением относительных значений параметров (напркмер, отношением сопротивлений).С целью пространственного разделения операций коррекции дополнительных мультипликатквной составляющейпогрешности и погрешности нелинейности узлов ЦАП 8 и усилителя 6 разности помимо узла ОЗУ 12, служащего для,записи кодов дополнительной погрешности нелинейности, в устройство АЦпреобразования вводится дополнительный узел ОЗУ 17, в котором записывается код дополнительной мультипликативной погрешности, Так, в рамкахусловий рассмотренного примера можнодопустить, что разрядные уровни ЦАП .8 П - Пк при наличии дополнительной погрешйости изменились и сталиравны Ц,123 мВ; Б = 255 мВ,П = 498 мВ, Ц = -1008 мВ. Погрешность в краййей точке шкалы ЦАП8 16 мВ - есть мультипликативнаяпогрешность ЦАП 8, после ее исключе".ния разрядные уровни ЦАП 8 принимают 59405 б1 Нследующие значения: Ик-1024 мВ;гБ = 506 мВ; 11 = 259 мВ;125 мВ., оставшаяся после выделения мульткпликативной погрешности погрешностьнелинейности в соответствии с табл,2записывается в ОЗУ 12.При преобразовании входного напряжения Б = 640 мВ (режим измерения)получаются соответственно коды:-111 - код ПЗУ 9 (табл,1); -10 - кодОЗУ 12 (табл,2), После сложения ко дсв АЦП 7 с кодами ПЗУ 9 и ОЗУ 12 вцифровом сумматоре 11 получают кодмладших разрядов +0001001-111-10+0000000, а полный код АЦП приэтом равен +010000000, что соот ветствует Б = 640 мВ.Определение и запись в ячейкиОЗУ 12 к 17 кодов дополнительной погрешности производится в режиме контроля. В этот режим устройство переводится установкой переклочгтеля 13в положение К, На вход АЦП 1 с выхода Формирователя образцовых сигналов15 поступают образцовые налряжения,равные значениям идеальных уровнейс ЦАПФормирователь 15 устроен такимобразом, что после обнуления содержимого ОЗУ 12 и 17 на вход АЦП 1вначале поступает образцовое напря жение, равное значению напряжения вкрайней точке шкалы ЦАП 8 (например,-1024 мВ), и после разового запуска,поступаемого с формирователя 15 навход блока 10 управления, на выходе 45 цифрового сумматора 11 формируетсякод дополнительной мультипликативнойпогрешности ЦАП 8, По сигналу с формирователя 15 этот код записываетсяв ОЗУ 17 и далее поступает на входы 50 ЦАП 19, где преобразуется в аналоговый сигнал, изменяющий масштаб ЦАП 8,После коррекции дополнительной мультипликативной погрешности формирователь 15 аналогичным образом задает 55еще 2 -1 значений образцовых напряжений (где и - число разрядов АЦП ),и получаемые каждый раз после запуска АЦП на выходе цифрового сумматора11 коды записываются в соответствии50 с табл.2 в ОЗУ 12, Коды в ОЗУ 12 эквивалентны значениям дополнительной погрешности нелинейности ЦАП 8Рассмотрим запись кодов дополнительной погрешности в ОЗУЙ и 17 на примере, Так, в режиме контроля на вход АЦП 1 подается с выхода формирователя 15 образцовое напряжение -1024 мВ, соответствующее нижней крайО ней точке шкалы ЦАП 8В условиях влияния дополнительной погрешностиФ в рамках условий рассмотренного примера, разность (Б к - 1) на выходе усилителя разности 6 равна 11 - 11 =-1024 - (1008) = -16 мВ, На выходе цифрового сумматора 1 формируется код, равный (табл.1 и 2) сумме кодов АЦП 7 и ПЗУ 9 (в начальный момент операции коррекции коды ОЗУ 2 и ОЗУ 17 равны нулю); -0010000 + 000 = = +0000010, что эквивалентно дополнительной погрешности, взятой с противоположным знаком, т.е-2 мВ (табл,2), Инверсию знака погрешности 25 можно произвести при выполнении операции сложения в цифровом сумматоре 11 или при записи непосредственно кода погрешности в ОЗУ 12Формирователь образцовых сигналов 30 15 и блок. управления (фиг2) работают следующим образом.В исходном. состоянии переключатели 25-28 блока 22 задания режимов устанавливаются в положение, показанное на фиг.2Перед началом режима контроля переключатель 26 переходит к противоположное положение, причэтом прекращается процесс обнуления ОЗУ 12 и 17, и через элемент И 3 и триггер 32 устанавливается в единичное состояние, Это дублирует сигнал запрета на первом управляющем входе генератора 33 импульсов, Далее, одновременно с переключателем 13 пере ключается переключатель 25, тем самым обеспечивается обнуление двоичного счетчика 30 и подается сигнал разрешения (логический "0") на первый вход элемента ИЛИ 29 и второй управляющий вход генератора 33 импульсов.По нулевому коду счетчика 30 источник 24 образцовых напряжений формирует напряжение, соответствующее идеальному значению напряжения в крайней точке шкалы ЦАП 8 (П-1024 мВ). После такой подготовки .формирователь 15 готов к работе,При коррекции дополнительноймультипликативной погрешности нажимается кнопка (переключатель) 28 изапускается триггер 34. Сигнал спрямого входа триггера 34 запускаетодновибратор 35, который производитразовый запуск АЦП, Одновременно сзапуском одновибратора 35 с прямоговыхода триггера 34 поступает сигналзапрета на формирователь 41 импульсов блока 10 управления, а с инверсного выхода триггера 34 - сигналразрешения на формирователь 43 импульсов, Формирователь 43 выдает сиг"нал записи кода дополнительной мультипликативной погрешности (кода АЦП7 в крайней точке шкалы ПАП 81 в ОЗУ17 и устанавливает триггер 34 в исходное состояние, При этом на входформирователя 41 подается сигнал раз-решения, а на вход формирователя 43 -сигнал запрета, На этом процесс коррекции дополнительной мультипликативной погрешности заканчивается,При коррекции дополнительной погрешности нелинейности нажимаетсякнопка (переключатель) 27 и.триггер32 запускает генератор 33 импульсов,который обеспечивает периодическийзапуск АЦП, В каждом такте коррекциисигналом "Конец преобразования" свыхода формирователя 41 импульсовчерез элемент ИЛИ 29 производитсязапись кодов дополнительной погрешности нелинейности (кода АЦП 7) вОЗУ 12, а затем изменяется состояние двоичного счетчика 30 на единицуи устанавливается следующее значениеобразцового уровня, формируемого источником 24 (Б = -960 мВ) и т.д,Сигнал переполнения счетчика 30 через элемент 31 переводит триггер 32в исходноесостояние, останавливаятем самым генератор 33 импульсов,На этом заканчивается процесс коррек"ции дополнительной погрешности не 2линейности,При переводе переключателей 13 и25 положение И АЦП готов к работе вреальных условиях,При коррекции инструментальныхпогрешностей АЦП (как основной, таки дополнительной) требуется изменение масштабного коэффициента ЦАП 8В предлагаемом устройстве изменениемасштабного коэффициента осуществляется с помощью дополнительного ЦАП19, выполненного в виде преобразователя кода в сопротивление, Взаимодействие основного ЦАП 8 и дополнительного ЦАП 19 поясняется фиг.3, на которой приведены функциональные схемы ЦАП 8 и 19. Последний состоит из набора резисторов, взвешенных по двоичному закону, и цифроуправляемого коммутатора, Выходное сопротивление Б/Л 19 определяется кодом на его цифровых входах, поступающим в данном случае с дополнительного цифрового счетчика 18, При включении ЦАП 19 параллельно резистору г, регулирующему масштабный коэффициент ЦАП 8, можно управлять изменением масштабного коэффициента ЦАП 8, При этом необходимо учесть то обстоятельство, что параллельное соединение постоянного и переменного сопротивлений приводит к нелинейному изменению сумяарного сопротивления, С целью ослабления влия.ния указанной нелинейности на точность регулировки масштабного коэффициента ЦАП 8 необходимо таким 25 образом выполнять ЦАП 19,чтобы его наименьшее значение выходного сопротивления в несколько раз .превышало значение г. Рассмотрим один из возможных вариантов выполнения ЦАП 19, 30 Предположим, что четырехразрядный ЦАП 19 имеет следующие значения разрядных сопротивлений: 1; 2; 4 и 8 кОм, При изменении входного кода ЦАП 19 от 0001 до 1111 его выходное сопротивление изменяется от 8 до 0,53 кОМ, Если выбрать г = .55 Ом, то суммарное сопротивление ЦАП 8 и 19 изменяется от 49,8 до 54,6 Ом с шагом 0,3 - 0,4 Ом, Это позволит осуществлять регулировку масштабного коэффициента в пределах +57,Дискретный характер регулировки вносит методическую погрешность, а нелинейность регулировки относится 45 к инструментальной погрешности установки заданного масштабного коэффициента, Так, для приведенного вьппе примера сумма методической и инструментальной погрешностей установки заданного масштабного коэффициента составляет +0,157., Однако эта погрешность не снижает точность устройства, так как ее можно легко свести к пренебрежимо малой величине с увеличением разрядности ЦАП 19 счетчика ИЛИ 18 (если первый путь по каким либопричинам исключается), скорректировать ее в режиме коррекции основных и дополнительных погрешностейнелинейности описанным ранее способом,Таким образом, пространственноеи временное разделения операций коррекции мультипликативной погрешностии погрешности нелинейности в устройстве позволяют существенно сократитьаппаратурные затраты и повысить точность измерений, Действительно, в известном устройстве целесообразно проводить коррекцию только погрешностинелинейности (смещение нуля относимтоже к погрешности нелинейности).Коррекция мультипликативной погрешности с помощью тех же блоков памяти(в данном случае ПЗУ 9 и ОЗУ 12) приводит к неоправданному росту их объема, что особенно ощутимо при построении многоразрядных АЦП, Например,при построении 16-разрядного АЦП счислом старших разрядов и = 8 и диапазоном входного напряжения 1 Вмультипликативная погрешность интегрального 8-разрядного ЦАП может составлять до +100 мВ, Очевидно, чтодля кодирования такой погрешности врамках поставленных условий емкостьПЗУ 9 (или ОЗУ 12) должна быть неменее 2812 = 3072 бит, Использование такой памяти требует больших аппаратурных затрат, которые возрастают при применении быстродействующихустройств памяти, что приводит к не .оправданному росту потребляемой мощности, Коррекция только погрешностинелинейности в известном устройствепозволяет сократить объем памятивплоть до выполнения элементов памяти (ПЗУ 9 и ОЗУ 12) на одной микросхеме. Однако отсутствие возможностикорректировать мультинликативную погрешность с помощью узлов памяти смалым объемом приводит к резкому снижению точности устройства аналогоцифрового преобразования, что опятьже наиболее ощутимо при построениибыстродействующих многоразрядных.АЦП,Пространственное и временное разделения операций коррекции мультипликативной погрешности и погрешности нелинейности в предлагаемом устройстве позволяет обеспечить высокуюточность преобразования АЦП без существенного роста аппаратурных затрат. Так как коррекция мультипликативной погрешности осуществляетсятолько в одной точке шкалы ЦАП 8 (накраю диапазона АЦП), то дополнитель"ные узлы памяти ПЗУ 1 б и ОЗУ 17 могут быть выполнены всего на одномрегистре (для рассмотренногб ранеепримера разрядность ПЗУ 1 б и ОЗУ 17должна быть всего 12 разрядов, аобъем - 12 бит, для этого достаточновсего по одной ячейки памяти в ОЗУ17 и ПЗУ 16),По сравнению с известным при одинаковых объемах памяти основных ПЗУи ОЗУ точно:ть в предлагаемом устройстве повышается в 10-12 раз,10 15 Формула изобретения 1, Устройство аналого-цифровогопреобразования по авт, св, 91398093,о т л и ч а ю щ е. е с я тем, что,с целью упрощения устройства, в неговведены дополнительное постоянноезапоминающее устройство и последовательно соединенные дополнительноеоперативное запоминающее устройство,цифровой сумматор и цифроаналоговыйпреобразователь, причем выходы дополнительного цифроаналогового преобразователя подключены к входам регулировки Масштабного коэффициентаосновного цифроаналогового преобразователя, выходы дополнительного постоянного запоминающего устройствасоединены с вторыми входами дополнительного цифрового сумматора, информационные входы дополнительного оперативного запоминающего устройстваподключены к соответствующим выходамразрядов основного цифрового сумка 40тора, вход обнуления соединен с вторым выходом формирователя образцовыхсигналов, а вход записи подключен кдополнительному выходу блока управления и объединен с первым дополнительным входом формирователя образцовых сигналов, второй дополнительный вход которого является четвертойуправляющей шиной, а его .первый,второй и третий дополнительные выходы соединены соответственно с дополнительным входом элемента ИЛИ, первым и вторым дополнительными входамиблока управления,2, Устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что формирователь образцовых сигналов выполненна источнике опорного напряжения,первом, втором третьем и четвертом переключателях, элементе ИЛИ, счетчике импульсов, элементе И, первоми втором триггерах, генераторе импульсов и одновибраторе, причем первым, вторым и третьим входами форми-,рователя являются соответственно управляющие входы первого, второго итретьего переключателей, а первым выходом является выход источника опорного напряжения, входы которого соединены с соответствующими информационными выходами счетчика импульсов,вход обнуления которого объединен спервым управляющим входом генератораимпульсов, первым входом элементаИЛИ и подключен к выходу первого переключателя, первый и второй информационные входы которого объединенысоответственно с первыми и вторымиинформационными входами второго итретьего переключателей и являютсясоответственно шинами логического нуля и логической единицы, выход второго переключателя соединен с первымвходом элемента И и является вторымвыходом формирователя, третьим выходом которого является выход элементаИЛИ, второй вход которого объединенсо счетным входом счетчика импульсови является четвертым входом формирователя, выход переполнения счетчикаимпульсов соединен с вторым входомэлемента И, выход которого подключенк входу установки в "1" первого триггера, прямой выход которого соединенс вторым управляющим входом генератора импульсов, а вход установки в"0" подключен к выходу третьего переключателя, выход генератора импульсов является четвертым выходам формирователя, вход управления четвертым переключателем является вторымдополнительным входом формирователя,первый и второй информационные входы соединены соответственно с шиначи логического нуля и логическойединицы, вход установки в "1" второго триггера является первым донолнительным входом формирователя, прямой и инверсный выходы являются соот"ветственно вторым и третьим дополнительными выходами формирователя, пер"вым дополнительным выходом которогоявляется выход одновибратора, входкоторого соединен с прямым выходомвторого триггера, вход установки в13 14 1559405 3Устройство по п,11 ь о т л ич а ю щ.е е с я тем, что блок управления выполнен на пяти формирователях импульсов и трех последователь"5 но соединенных элементах задержки, выходы которых, а также вход первого из которых соединены соответственно с входами первого, второго, третьего и четвертого формирователей импульсов, выходы которых являются выходами блока, дополнительным выходом которогб является выход пятого формирователя импульсов, первым Таблица 1 номусоо 02 12+000 +001 +010 +01 +100 +101 +110 +111 000 -011 +00 -001 -100 111 -010 -101 и дополнительными первым и вторымвходами блока являются соответственно вход первого, управляющий входчетвертого и первый вход пятого формирователей импульсов, второй входпоследнего из которых соединен свыходом третьего элемента задержки. 4Устройство по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что дополнительный цифроаналоговый преобразователь выполнен в виде преобразователя кода в сопротивление.