Аналого-цифровой преобразователь

,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ кг 1;1;Дат д ЭОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТВУ 13(56) Швецкий Б.И. Электронные цифровые приборы. Киев, Техника, 198с. 52,Шляндин В,М. Цифровые электроизмеительные приборы. М.: Энергия,972, с. 189,(54)(57) 1 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий первый, второй и третий запоминающие конденсаторы, усилитель, первый и второйблоки ключевых элементов, источникопорного напряжения, ключевой элемент,. блок сравнения, блок управления, первый вход которого явля-ется шиной ."Запуск"., первый выходподключен к управляющему входуключевого элемента, информационный вход которого подключен кпервому выходу источника опорногонапряжения, второй выход которогоподключен к первому информационномувходу первого блока ключевых элементов и первому выводу второго запомина 10 щего конденсатора, второй вывод которого подключен к выходу клю"чевого элемента и объединен с вторыминформационным входом первого блока ключевых элементов, управляющийвход .которого подключен к второму сравне ОПИСАНИ М АВТОРСМОМУ(53) 681,325(088.8) выходу блока управления, первый выход подключен к первому информационному входу в орого блока ключевых элементов и первому выводу третьего запоминающего конденсатора, вто рой, вывод которого подключен к второму выходу первого блока ключевых эдементов и объединен с вторым информационным входом второго блока ключевых элементов, выход подключен к входу усилителя, который через первый запоминающйй конденсатор подключен к общей шине, выход усили-, теля подключен к третьему информационному входу второго блока ключевых элементов и к входу блока сравнения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью, повышения достоверности преобразования, введены регистр сдвига, блок контроля, счетчик, аналоговый коммутатор, первый информационный вход которого является аналоговой входной шиной устройст. ва, второй информационный вход подключен к общей шине, выход подключен к входу усилителя, первый и . второй управляющие входы подключены соответственно к третьему и четвертому выходамблока управления, пятый и шестой выходы которого подключены соответственно к первому и второму управляющим входам второго блока ключевых элементов, седьмой и восьмой выходы подключены соответственно к первому и второму управляющим входам регистра сдвига, информационный вход которого объединенс вторым входом блока управления и подключен к выходу блокания, и выходов регистра сдви"1197079Г блок 9 клаче 5 ых злеменщоб ючебил элемент Зло Составитель В,ПершиковВолкова. Техред А,Ач Корректор И,Муск едак Заказ 7576 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ВНИИПИ по 13035, МТираж 871 ПодписноеГосударственного комитета СССРелам изобретений и открытийсква, Ж, Раушская наб д, 4/га, где и - количество разрядов преобразователя, являются выходными информационными шинами устройства, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока контроля, выход которого является первой выходной контрольной шиной и подключен к третьему входу блока управления,.девятый и десятый выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам счетчика, выход которого являетсявторой выходной контрольнойшиной устройства и подключен к четвертому входу блока управления, одиннадцатый выход которого является шиной "Конец преобразования".2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления выполнен на постоянном запоминающем устройстве, регистре, генераторе тактовых импульсов, коммутаторе, дешифраторе, первом и втором счетчиках, мультиплексоре, первый, второй, третий и четвертый информационные входы которого являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами блока управления, пятый информационный вход подключен к выходу первого счетчика, шестой и седьмой информационные входы подключены соответственно к первому и второму выходам второго счетчика, выход подключен к управляющему входу коммутатора, первый, второй и третий чправляющие входы подключены соот 1197079ветственно к первому, второму и третьему выходам регистра, выходы с четвертого по четырнадцатый которого подключены к соответствующим информационным входам дешифратора, выходы с пятнадцатого по девятнадцатый подключены к соответствующим первым информационным входам коммутатора, выходы с двадцатого по двадцать четвертый подключены к соответствующим вторым информационным входам коммутатора, выходы которого подключены к соответствующим входампостоянного запоминающего устройства, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам регистра, управляющий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, при этом первый и второй управляющие входы дешифратора подключены к шине нулевого потенциала, первый, второй, третий и четвертый выходы подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам первого счетчика, пятый и шестой выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго счетчика, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый, пятнадцатый, шестнадцатый и семнадцатый выходы являются соответственно третьим, четвертым, пятым, шестым, первым, вторым; седьмым, восьмым, девятым, десятым и ,одиннадцатым выходами блока управления, причем пятый вход первого счетчика объединен с четвертым входом мультиплексора.Изобретение относится к вычислительной и цифровой измерительной технике и может быть использовано для преобразования аналоговых вели-. чин в цифровые.Цель изобретения - повышение достоверности аналого-цифрового преобразования.На фиг. 1 представлена структурная схема аналого-цифрового преобразователя, на фиг. 2 - функциональная схемаблока контроля; нафиг. 3 и 4 - алгоритм работы аналого. цифрового преобразователя, на фиг.5 - закодированный граф микропрограмм работы устройства; на фиг. б - функциональная схема блока управления на фиг, 7 и 8 - функциональные схемы первого и второго блоков ключевых элементов.Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит аналоговую входную7ет суммированию эталонного уровня П.и преобразуемого напряжения Б в следующем такте преобразования,. а значение а = 1 - вычитанию эталон.:ного уровня Б 1 и преобразуемого напряжения 01, Полученное значение разрядного коэффициента азаносится в регистр 12 сдвига, На этом первый такт преобразования заканчивается.На втором такте в соответствии с соотношением (2) формируется напряжение 0 на первом запоминающем конденсаторе 3 с помощью усилителя 4,. запоминающего конденсатора 10, второго блока 11 ключевых элементов и блока 18 управления. Но команде блока 18 управления конденсатор 10 включается через второй блок 11 ключе= вых элементов в цепь обратной связи усилителя 4 таким образом, чтобы обеспечивалась подача напряжения Б обратной полярности на конденсатор 3. В результате на конденсато" ре 3 сформируется напряжение П = = Б - а, П, 1 . Напряжение Б с выхода усилйтеля 4 поступает на вход блока 5 сравнения. На вйходе блока 5 в соответствии с условием (2) формируется значение второго разрядного коэффициента а, которое записывается в регистр 12 сдвига. Затем с помощью блока 18 управления, запоминающих конденсаторов 8 и 10, первого блока 9 ключевых элементов - формируется второй эталонный уровеньПойП = в , . По команде блока 18 упРравления первый блок 9 ключевых элементов включает запоминающие кондей-. саторы 8.и 10 параллельно. В резуль. тате происходит перераспределение заряда между конденсаторами 8 и 10 таким образом, что на них установится напряжение второго эталонногоПофуровня П , . На этом второиЮРтакт преобразования заканчивается.В остальных (и - 2) тактах устройство работает аналогичным образом. При этом для правильной работы устройства необходимо выполнениеусловия 1970798 20 ности выходной характеристики проводится начиная. с (р + 2)-го разряда.. Разряды с номерами меньшими р + 2считаются "точными". Процедура 25 контроля заключается в (и - р -1)-кратном кодировании эталонного вспомогательного сигнала Азначение которого равно О. В процессе любого -го кодирования вспо могательный сигнал Аэт = 0 преобразуется в (р ++ О-разрядный кодпутем последовательного сравненияи алгебраического суммированияего с набором из р + 1 + 1 эталонных уровней. Признаком наличия откло-.нений весов разрядов нреобразователя является нарушение соотношения(1), что приводит к появлению впроцессе кодирования запрещенных 40 кодовых комбинаций. Разрешенныминапример, для кода "золотой" 1 пропорции, являются кодовые комбинации, состоящие из триад разрядоввида 111 или 1 1 1. Невыполнениеуказанного условия в процессе 1-гокодирования является признаком того, что погрешность преобразованияпревысила заданную величину. В каждом.следующем кодировании число эталонных уровней, участвующих в преобразовании, увеличивается на единицу. СЗ = С 10 С 10 = С 8 (К - 1)(4) Пример преобразования входной аналоговой величины А = 10 в 6 разрядный код "золотой" 1 пропорции приведен в табл, 1,Погрешность линейности устройства зависит от смещения нуля усилителя 4 и блока 5 сравнения, точ-ности выполнения условия (4). Указанные составляющие меняются стечением времени и под воздействиемусловий внешней среды, что приводит к увеличению погрешности линейности. Последнее обстоятельствоэквивалентно формированию эталонныхуровней Пэ 1 с некоторыми отклонениями. При этом значения абсолютных погрешностей для старших разрядов будет. большими,а для младших -малыми, В процессе метрологическогоконтроляопределяется граница между "точными" и "неточными" разрядами. Иетрологический.контроль линейВ режиме метрологического. контроля устройство работает следующим образом.По команде блока,18 управления запоминающий конденсатор 8 заряжается через ключевой элемент 7 от ис. точника 6 опорного напряжения донапряжения Ю , = Б . Затем с помощью блоков 9 и 11 ключевых элементов, усилителя 4, запоминающих конденсаторов 8, 1 О и 3 и блока 18 управления формируется (п-р)-йЦ этанонньй уровень Цэа р эа Э.Р Процесс Формирования эталонного уровня Пэ дзаключается в следующем, По команде блока 18 управления первый блок 9 ключевых элементов включает конденсаторы 8 и 10 параллельно. В результате, на нихПоп установится напряжение 0Р Затем второй блок 11 ключевых элементов включает .конденсатор 10 в цепь обратной связи усилителя 4. Заряд конденсатора 10 полностью пере-. дается на запоминающий конденсатор 3. После этого первый блок 9 ключе- . вых элементов снова включает конденсаторы 8 и 10 параллельно. В результате, на них установится напряжениеакопУказанная процедура повЭун 2Рторяется (и-р) раз,.пока на запоминающем конденсаторе 10 не установится напряжение (и-р)-го эталон 0 о 11 ного уровня ц. ,-р- = .-р- ЗаКРтем по команде блока 18 управленияна запоминающий конденсатор 3 через второй вход аналогового коммутатора 2 подается эталонный вспомогательный сигнал А т = О. В результате, конденсатор 3 заряжается до напряжения П = О. Блок 8 управления генерирует набор команд, обеспечивающих преобразование 01 в (р+2)-разрядный код способом, описанным вышее. Полученный в результате преобразования код анализируется блоком 14 контроля, который реализует логическую функцию Г (а;). При параметре кода "золотойпропорции р = 1 укаэанная функция имеет вид Функция Й (а;) принимает значе 11 11ние 1 только на разрешенных наборах аргументов вида 1 1 1 или 1 1 1, Блок 1 4 контроля по мере Формирования разрядов выходного кода в сдвиговом регистре 1 2 каждые три такта опрашивается блоком 1 8 управления , выходной сигнал блока 1 4 Г ( а , ) Ф 1 соответствует сигналу " расстройка " преобразования, Так как аргументаи функции Г(а ) являются три переменных, то число пк контролируемых разрядов выходного кода, форми руемогр в режиме. контроля, должнобыть кратно трем и= 31. Погрешность квантования данного классааналого-цифровых преобразователейсоставляет +1 младшего разряда, 10 что позволяет проводить метрологический контроль с точностью +1младший квант. Поэтому, если числотактов преобразования соответствует разрядности выходного кода и = 15 = 3 + 1, то сигнал контроля Формируется в результате анализа п к == 31 старших разрядов кода безучета значения младшего разряда.эЕсли число тактов преобразования гО соответствует разрядности выходногокода и= Зд. + 3, то сигнал контроля Формируется в результате анализаи= Зх + 3 разрядов кода, значениемладшего ( Зх + 3)-го разряда кото рой повторяет значение (3 + 2)-горазряда, полученного на последнемтакте кодирования. На этом процедура контроля (р + 2)-го разряда заканчивается.ЗО Контроль (р + 3)-го разряда преобразователя начинается с формирования (п-р+3)-го эталонного уровняопПът 11- -з 11-р. Затем вспомогательЗ 5 ный аналоговый сигнал Л т; - 0 преобразуется в (р +. 3)-разрядный код,который анализируется блоком 14контроля. Контроль остальных разрядов преобразователя производитсяаналогичным образом. Номер контролируемого разряда Фиксируется счетчиком 16. Если в процессе контроля1-го разряда блок 14 контроля сформирует сигнал "Расстройка" преобра зователя, на выходе счетчика 16 зафиксируется число и = 1 в . 1 достоверных разрядов.аналого-цифровогопреобразователя, обеспечивающих впроцессе кодирования заданную пог решность линейности.Пример контроля 6-го разрядааналого-цифрового преобразователяв кодах "золотой" 1 пропорции приусловии, что вес 6-го разряда имеет 55 значение 9,4 вместо 11,0, блок 14логйческих элементов анализируеттриаду разрядов блока 12 с номерами 1 , 2 , 3 , приведен в табл. 2.Результат опроса блока 14 конт,роля на шестом такте преобразованияпоказал, что в регистре 12 сдвигасформировалась запрещенная кодоваякомбинация. Достоверными являютсяи =5 младшихразрядов преобразователя.Блок 18 управления реализован ввиде управляющего автомата с программируемой логикой. Алгоритм работыуправляющего автомата приведен на 10фиг. 3 и 4, где: СТ, - счетчик пересчета на три состояния (блок 52на фиг. 6), СТт - счетчик тактов,разрядность которого равна ш == 1 оя,1 (блок 51 на фин. 6) положение ключа Кд: = П 1 соответствуетзамкнутому состоянию ключа,положение А,= П 1 соответствует1коммутации на выходе аналоговогокоммутатора 2 входной преобразуемой 20величины, положение А : = П 2 соответствует коммутации на выход аналогового коммутатора 2 нулевого вспомогательного сигнала,1 - условие, определяющее режим 25работы устройства: преобразование(0) или контроль (1),2 - установка в начальное состояние регистра сдвига Рг 12 и счетчика51. тактов СТт, заряд запоминающих 30конденсаторов 8 и 10 от источникаопорного напряжения 6 черезключевойэлемент 7 и ключи К 1. 1 и К 1.2 первого блока 9 ключевых элементов,коммутация на выход аналогового. коммутатора 2 входного преобразуемо 35го сигнала,3 - запись в регистр 12 сдвигазначения старшего разряда выходногокода,11404 - проверка условия Конец преобразования";5 - условие, определяющее полярность преобразуемого напряжения,6,7 - счетчик 51 тактов СТ уве 45личивает свое состояние на единицу,в зависимости от условия 5 запоминающий конденсатор 1 О соответствующими обкладками включается черезключи К 2.1, К 2,2, или К 3.1, К 3.2блока 11 ключевых элементов в цепь50обратной связи усилителя 4;8 - запись в регистр 12 сдвигазначения д-го разряда выходногокода, формирование -го эталонногоУРф ЗТ55Ф9 - установка в начальное состояние регистров 12 сдвига, счетчика 1197079 1251 тактов СТ и счетчика 16 достоверньк разрядов преобразователяф10 - условие окончания контроля;11 - формирование первого эталонного уровня ЦЧт 112 - условие формирования -гоэталонного уровня Псоответствую 1щего д-му контролируемому разряду;13 - разряд запоминающего конденсатора 1 О;14 - счетчик 51 тактов СТ увеличивает свое состояние на единицу,формирование следующего эталон огоуровня;15 - счетчик 51 тактов СТ приниТмает значение счетчика 16, установка в начальное состояние счетчика 52 пересчета на три СТ коммутация на выход аналогового коммутатора 2 нулевого вспомогательногосигнала,16 - запись в регистр 12 сдвигазначения старшего разряда выходногокода,17 - проверка условия "Конецпреобразования"18 - условие, определяющее полярность преобразуемого напряжения,19-20 - счетчик 51 тактов СТТувеличивает свое состояние на единицу в зависимости от условия 8запоминающий конденсатор 10 соответствующими обкладками включаетсяв цепь обратной связи усилителя 4,2 1 - запись в регистр 12 сдвига значения -го разряда выходного;кода, счетчик 52 пересчета на триСТ, увеличивает свое состояние наединицу,22 - если в регистре 12 сдвигасформировались очередные три разряда выходногокода,то аналиэируетсявыходной сигналблока 14 контроля;23 - условие правильного преобразования,24 - если число разрядов выходного кода равно 3 + 2, то формируется (3 + 3)-й разряд путем сдвигана один разряд кода в регистре 12 ф25 - установка регистра 12 сдвигав нулевое состояние, счетчик 16достоверных разрядов преобразователя увеличивает свое состояниена единицу,26 - счетчик 51 тактов СТт принимает значение счетчика 16 процедура контроля продолжается, пока небудут проконтролированы все разряды преобразователя.1197079 Т а б л и ц а 1 Аналоговый Регистр сдвига Такт а1 Веса разрядов 1,0 1,6 2,6 4,2 6,8 11,0 1 10 1 11,0 10-11,0=1,0 2 -1,0 1 6,8 -10+6,8=5,8 1 1 0,6 2,0 3 5,8 1 4,2 5,8-4,2=1,6 4 1,6 1 2,6 1,6-2,6=1,0 1 1 4,2 1 1 1 1 1 10,4 Таблица 2 Регистр сдвига Такт Е,(а;) Оэт; а; Ак 5 6 3 4 2,6 4,2 6,8 11,0 1,0 1,6 контроля 1 0 1 9,4 0-9,4=9,4 1 1 2 -9,4 1 6,8 -9,4+6,8=