Устройство аналого-цифрового преобразования

(54) УС ПРЕОБРА (57) Из зованию менение система вой инфо АНАЛОГО-ЦИФРОВОГ РОЙСТВООВАНИЯбретениинформав инфор к преобранайти приерительныханалогоотн тс може и о-и устрмации ств х вво овые ычисл ВЕННОЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ"Электронная вычислительная техн1981, вып. 11, с. 125. тельные машины и т.д, С целью повышения точности преобразования в устройство аналого-цифрового преобразования, содержащий первый 1 и второй 2 аналога-цифровые преобразователи, вычитатель 5, усилитель разнастного сигнала 6, цифровой сумматор 8, генератор тактовых импульсов 12, элемент задержки 13, цифроаналоговый преобразователь Э, вводятся второй цифроаналоговый преобразователь 4, счетчик 1 О, элемент И 11, цифровой умножитель 7, второй элемент задержки 14 и генератор начальной установки 9, Существенным отличием предлагаемого устройства является наличие вазможности автама- с тической, не требующей предварительной оценки динамических характеристик входных сигналов, адаптации его параметров к динамическим характеристикам С, входнОГО си Гнала 1 9 и е ф лы 1 илИзобретение относится к областипреобразования информации и можетнайти применение в информационно-измерительных системах, устройствахввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины и т.д.Цель изобретения - повышение точности и.На чертеже приведена структурнаясхема устройства.Устройство аналого-цифрового преобразования содержит первый 1 и второй 2 аналого-циФровые преобразователи (АЦП), первый 3 и второй 4 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), вычитатель 5, усилитель 6 разностнагосигнала, цифровой умножитель 7, цифровой сумматор 8, генератор 9 начальной установки, счетчик 10, элемент И11, генератор 12 тактовых импульсов,первый 13 и второй 14 элементы задержки, причем усилитель б разностногосигнала содержит также токоограничивающий элемент (резистор) 15 и операционный усилитель 16Устройство работает следующим образом.После включения напряжения питанияна вьгходе генератора 9 начальной установки Формируется импульс, поступающий на вход записи счетчика 10, покоторому на выходы счетчика записы"-вается код 1 нач с входов данныхсчетчика, который определяется соответствующим.порядком соединения входов данных счетчика с шинами напряжения, уровни которых соответствуютуровням логических "0" и "1".Код Ис выходов счетчика 10поступает на входы второго ЦАП 4 ивторую группу входов цифрового умножителя 7.Каждое преобразование входного напряжения Ц (С) в выходной код К цИинициируется импульсом генератора 2тактовых импульсов,Входное напряжение П(С) поступает на вход первого АЦП 1, который преобразует его в пвоичный код, В момент временипри поступлении на тактовый вход первого АЦП 1 импульса с генератора тактовых импульсов на выходах первого АЦП 1 Фиксируется код Ы соответствующий значению входноЭго напряжения Б (г.,) в этот момент времени".1Ы КОС Напряжение Ч поступает с выходаусилителя 6 Разностного сигнала навход второго АЦП 2, который преобразует его в код И, Фиксируемый на выходах второго АЦП 2 при поступлении на 45 его тактовый вход тактового импульсав момент (с, +1 эА,1), где. щвремя задержки поступления тактовогоимпульса на второй АЦП 2 относительновремени поступления его на первый АЦП1, учитывающее время преобразованияЮ(г.) первым АЦП 1, время переходныхпроцессов в первом ЦАП 1 и операционном усилителе 16, которое определяется первым элементом 13 задержки.Если напряжение Б в моментс(1; + Ф . ) не превосходит значенийдопустимого диапазона входного напряжения второго АЦП 2, код И определяется следующим образом: где К ц и, - крутизна характеристикипервого АЦП 1;ьК - погрешность квантованияпервого АЦП.Код И поступает на первый ЦАП 3,который Формирует точный аналоговыйэквивалент Б, грубого цифровогоприближения , входного напряжения1 О Цв:П цап( 1 Кцсп эгце Кд - крутизна характеристикипервого ЦАП 3,Промежуточный аналоговый сигнал15 П вычитается в вычитателе 5 изФо явходного напряжения Н(С). На выходевычитателя при К= 1/К , образуется разностное напряженйе ьК 1(Т),которое усиливается усилителем 6 раз 2 О ностного сигнала, Напряжение на выходе усилителя разностного сигналаравноц 1 с = "р- цц 1причем К - коэффициент усиления уси 26 лителя 6 разностного сигнала, определяющийся следующим образом:1 максК" цапф 1 ф1где К- коэффициент характеристикивторого ЦАП 4, имеющийЗО размерность проводимости,К в величи сопротивления вовходной цепи усилителяразностного сигнала;1И - числовой эквивалент кода,35 подаваемого на цифровыевходы второго ЦАП,- максимальный числовой эк/вивалент кода И3 13256- (С, + ,св( ) + (К (С + Ффд, )х х КА ЛЗЭгде 11 (С + Ф, 1 ) - выходное напряжение усилителя разностногосигнала в момент поступлениятактового импульса на тактовый вход второго АЦП 2;К - крутизна характеристики втоАцп 2рого АЦП 2; 10ь К - погрешность квантования втогрого АЦП 2.Если напряжение 11 в моментчс(С + 1,) больше значений допустимого диапазона входного напряжения 15 второго АЦП, тог маис фгде И - код, числовой эквивалент2 мокскоторого равен максималь.ному целому числу, которое можно представитьвыходным кодом второгоАЦП 2,При этом код М 2 определяется с динамической погрешностью, равной 25 97 Однако за время между моментами фиксации кодов И( и Мк, т.е, за время между моментами времени С, и (С, +дА, ), выходное напряжение 11 д (С) может измениться на величину Ь 0(С( + о, ), поэтому вторым АЦП 2 преобразуется в код не только усиленное значение ЬК,(С ), но и ю 8(С( + + с), при этом выходное напряжение усилителя б разностного сигнала может превысить значения допустимого диапазона входного напряжения второго АЦП 2 и код И равен Н. Выходной код устройства в этом случае ра- вен 30 35116 ьюк К 11 (12 макси определяется с динамической погрешностью .Если в каком-либо цикле преобразования выходное напряжение усилителя .6 разностного сигнала превышает напряжение, соответствующее максимальному коду второго АЦП 2 М, и если измеряемыи процесс, представляемый входным напрякением 11(С), стациона-. рен, то в будущем могут наблюдаться аналогичные изменения входного напряжения между моментами фиксации кодов Б и Ы на выходах АЦП, Для уменьшения( 2динамической погрешности последующих отсчетов входного напряжения при возникновении подобных ситуаций необходимо уменьшить коэффициент усиления усилителя разностного сигнала, а.с тем чтобы при этом функциональная харак-И - И2 2 мокс фгде И - идеальное значение кода И2 эсоответствующего величиневыходного напряжения усилителя разностного сигнала.Код И с выходов второго АЦП 2 логступает на первую группу входов цифрового умножителя 7, на выходах которого образуется код12 = 1,1Код И поступает на вторую груп 2пу входов цифрового сумматора 8, на первую группу его входов поступает код И(,. на выходах цифрового сумматора 8 образуется выходной код устройстваБвык = К Ы( + И 2где К - коэффициент передачи цифрово"го сумматора по входам кода М,При использовании идентичных первого и второго АЦП, т.е. при Кц == К , и при. неизменномДогвходйом напряжении 11(С) и пренебрежении малыми ошибками первого АЦП и первого ЦАП достаточно, чтобы вес старшего разряда кода Б был равен половине веса младшего разряда кода Н(. При этом коэффициент усиления усипителя разностного сигнала Б цолжен быть равен К = 2 , где 8 Ячисло разрядов второго АЦП 2, что обе с лечив ае т ся подачей н а цифровые входы второго ЦАП Ь кода/ 1 моксБ2 фк , рТакое значение Б, и устанавливается на входах данных счетчика, т.е,52Ч наЧУстановление такого коэффициента усиления усилителя б разностного сигнала при неизменном входном напряжении 11 (С) обеспечивает равенствоВхзначения максимального выходного напряжения усилителя б разностного сигнала и максимального значения допустимого входного напряжения второго АЦП 2 и минимизацию статистических . погрешностей преобразования, а при выполнении условийподавляется и динамическая йогрешность, при этомтеристика преобразователя не изменилась - аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя по входу кодаБе.Это осуществляется следующим об" разом,В момент времени (+ з, + + е ), где 3, е - длительность задержки поступления тактового им" пульса на второй вход элемента И 11 О относительно момента его поступления на тактовый вход второго АЦП 2, Формируемая вторым элементом 14 задержки и определяемая временем преобразования второго АЦП 2, переходных процес сов в цифровом умножителе и цифровом сумматоре, на второй вход элемента И 11 поступает тактовый импульс. Если выходное напряжение усилителя 6 разностного сигнала находится в пределах 2 О допустимого диапазона входных напряжений второго АЦП 2, то на выходе переполнения второго АЦП 2 присутствует логический ноль, запрещающий прохождение в момент ( + зад + "ьл а25 тактового импульса с второго элемента 14 задержки через элемент И 11,на счетный вход счетчика 10, и установленное ранее значение кода М на. выходах счетчика сохраняется. ЗОПри превышении выходным напряжением усилителя б разностного сигнала значений допустимого диапазона входных напряжений второго АЦП на выходе переполнения второго АЦП 2 присутс.т вует логическая единица, которая разрешает прохожцение в момент (, + + з + "ьд ) тактового импульса с второго элемента 14 задержки через элемент И 11 на счетный вход счетчика 4 О 10, при этом содержимое счетчика 10 увеличивается на единицу, что определяет уменьшение коэффициента усиления усилителя 6 разностного сигнала и увеличение коэффициента передачи 45 цифрового умножителя 7 по входу кода еИаксимальное значение динамической погрешности всех последующих циклон преобразования для аналогичных изме нений входного напряжения Бьмежду моментами фиксации кодов Х и Ы на выходах АЦП таким образом уменьшается.55., Увеличение кода Б происходит и в последующих циклах преобразования при каждом превышении выходным напряжением усилителя разностного сигнала значений допустимого диапазона входных напряжений. второго АЦП, Статичес- кая погрешность преобразования при этом увеличивается, но максимальная полная погрешность преобразования уменьшается.Через некоторое время после начала измерений устанавливается оптимальное для данного входного сигнала значение коэффициента усиления усилителя разностного сигнала, исключающее динамическую погрешность всех дальнейших измерений.Динамические искажения входного сигнала в усилителе разностного сигнала не компенсируются, но при применении современных быстродействующих операционных усилителей они пренебрежительно малыТаким образом, преимуществом предлагаемого устройства перед известными является возможность автоматического выбора оптимального для конкретного образца устройства и конкретного вида входного сигнала соотношения статической и динамической погрешности, т.е. повышение точности преобразования.Формула изобретения Устройство аналого-циФрового преобразования, содержащее первый и второй аналого-цифровые преобразователи, информационный вход первого из которых является входной шиной и объединен с первым входом вычитателя второй вход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к выхо" ду первого аналого-цифрового преобразователя, а выход вычитателя соединен с информационным входом усилителя разностного сигнала, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового,преобразователя, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, тактовый вход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу генератора тактовых импульсов . непосредственно, а тактовый вход второго аналого-цифрового преобразователя - через первый элемент задержки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены генератор начальной установки, счетчик, элемент И, цифровой умножитель, второй элемент1325697 Составитель В.Иахнанов Техред И.Ходанич Редактор И,Николайчук Корректор В.Бутяга Заказ 3557 Тираж 901 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 задержки, через который первый вход элемента И соединен с выходом первого элемента задержки, второй вход элемента И соединен с выходом переполне 5 ния второго аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первой группой входов цифрового умножителя соответственно, вторая группа входов которого объединена с управ.1 О ляющими входами усилителя разностного сигнала и подключена к соответствующим выходам счетчика, вход записи которого подключен к выходу генератора начальной установки, входы данных яв ляются шиной кода начальной установки, счетный вход соединен с выходом элемента И, а выход цифрового умножителя подключен к второму входу цифрового сумматора. 2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что усилитель раэностного сигнала выполнен на операционном усилителе, цифроаналоговом преобразователе и токоограничивающем элементе, первый вывод которого сое" динен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод является информационным входом усилителя, а неинвертирующий вход подключен к общей шине, аналоговый вход и выход цифроаналогового преобразователя соединены соответственно с выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, цифровые входы являются управляющими входами усилителя, а выход операционного усилителя является выходом усилителя.