Биполярный аналого-цифровой преобразователь

(511 4 Н 03 М 1/46 Е Бюл. В 4 ибернети 088.8 )свидетелН 03 Мектроизмеед.В,М,Ыл2 рис бство СССР46, 1981,ительные ндина9,(54) БИПОЛЯРНЫЙ А ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение тельной технике и зовано в качестве модуля или состав в которых осущест ванне аналоговых ОГО-ЦИФРОВО тносится к вычислиможет быть испольсамостоятельногоой части устройств,ляется преобразосигналов в цифроры 1ена сго пре уктурная бразовариггер тройст ержитющее ОСУДАРСТБЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) АвторскоеМ 1018231, кл,Цифровые элприборы./Под р1972, с.27-27 Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве самостоятельного модуля или составной части устройств, в которых осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды,Цель изобретения - повьппение точ" ности преобразователя На чертеже изображ схема аналого-цифров теля. Преобразователь с 1, аналоговое запомивые коды преобразователя. Цель изобретения - повьппение точности. Цельдостигается введением в аналого-цифровой преобразователь дополнительного компаратора, цифрового переключателя, коммутатора и элемента ИСКЛ 0 ЧАИЩЕЕ ИЛИ, что позволяет обеспечить идентичность преобразования по-,ложительных и отрицательных входныхвеличин,.ликвидировать погрешности,обусловленные переходными процессамипри переключении разрядов цифроаналогового преобразователя, компенсировать аддитивную и уменьшить мультипликативную составляющие погрешности цифроаналоговых преобразователей,а также устранить влияние дрейфа порога срабатывания компараторов в пределах одного кванта, на точностьаналого-цифрового. преобразования. во 2, сумматор 3, тактовый генератор 4, первый 5 и второй 6 компарато (пИ )- разрядный распределитель 7тактовых импульсов (п - число разрядов предлагаемого аналого-цифрового преобразователя), коммутатор 8, элемент ИСКЛ 10 ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, первый 10 и второй Г (и+1)-разрядные регистры, первый п-разрядный цифроаналоговый нреобразоватеиь (ЦАП) 12, цифровой переключатель 13 и второй и-разРЯдный ЦАП 14Компараторы подобраны по критериюидентичности параметров1, при О, при 50 Ов логическ выходе к значение е состояние нампаратора 5;преобразуемого напряженксуммарноных напри второг Мзначениений пе14 ЦАП выходого 12 Аналого-цифровой преобразовательработает следующим образом,В исходном состоянии на выходетриггера 1 установлен уровень логического "О", что запрещает прохождение тактовых импульсов с выхода тактового генератора 4 на счетный входраспределителя 7 тактовых импульсовС приходом запускающегоимпульса наустановочные входы распределителя 7тактовых импульсов первого 10 и вто-рого 11 регистров на их выходахустанавливаются уровни логическогоО, что, в свою очередь, вызываетпоявление нулевых уровней напряженияна выходах первого,2 и второго 14ЦАП и, соответственно, на выходесумматора 3, этим же импульсом разрешается запоминание преобразуемогонапряжения в аналоговом запоминающемустройстве. 2, а также взводится триггер 1, При этом разрешается прохождение тактовых импульсов с выхода тактового генератора 4 на вход распределителя 7 тактовых импульсов. По окончании запускающего импульса процессзапоминания в аналоговом запоминающем устройстве 2 прекращается. Та"ким образом, на неинвертирующем входе основного 5 и инвертирующем входе дополнительного 6 компараторовустанавливается значение преобразуе. - .мого напряжения, а на инвертирующемвходе основного 5 и неинвертирующемвходе дополнительного 6 компараторов - значение напряжения, снимаемого с выхода сумматора Зв которое равно сумме выходных напряжений первого ЦАП 12, вырабатьвающего напряжение положительной полярности, и вто 40рого ЦАП 14, вырабатывающего напряженке отрицательной полярности. В первый момент напряжение на выходе сум 1матора 3 равно нулю,Если не. учитывать дрейф порогацдп 1 ьАп 1а компаратор 6, по роду своего включения, функцию при Овх б- а=Ак Оф при БвхБ и Ц -О + 11 а = Ь Свх) О, ес и %: +Оа)ли Бв-(О + 08) логическое состояние напрямом выходе коммутатора,8;напряжение, дрейфа порогасрабатывания компараторов5 и 6, причем должно выполНЯТЬСЯ условие БЭПгде Б - значение напряжения кванта;единичная функция, определяемая как где Е 01 в) при 11 ъО ьх) О, и рога сраба место в лю зоны трет не равна н ывания Так как дрейф икомпараторов имеетслучае, то величинсостояния заведомо г люа где а - логическое состояние наАквыходе компаратора 6.С учетом дрейфа пороги срабатывания компараторов 5 и 6 смещены от-. носительно нуля, но, в связи с принятым способом соединения входов компараторов, смещены в противоположных направлениях, что используется для формирования третьего состояния, которое соответствует равенству сравниваемыхнапряжений с точностью до кванта. В этом случае на выходах компараторов 5 и 6 устанавливаются идентичные логические состояния, что и фиксируется элементомИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9,на выходе которого устанавливается состояние логического "О". Тем самым блокируется прохождение сигнала с выхода компаратора 5 на выходы коммутатора 8, а состояние выходов коммутатора 8 определяется знаковым выходом цифрового переклочателя 13, т,е, реализуется функция.,5 1520 бС приходом фронта первого тактовогоюьпульса состояние прямого и инверсного выходов коммутатора 8, котороена прямом выходе, если не установлено третьей состояние, тождественносостоянию выхода компаратора 5, а наинверсном - противоположно ему записывается соответственно в первыеразряды первого 10 и второго 11 регистров. Причем, если преобразуемоенапряжение положительно, то на выходе компаратора 5 устанавливается "1",так как У 5Укоторая и записывается в первый регистр 10, тем самым включается первый разряд ЦАП 12.Во второй регистр 11 записывается"О", и первый разряд ЦАП 14 не включается. Если преобразуемое напряжениеотрицательно, то на выходе компаратора 5 устанавливается уровень "О",так как Пс Б и в этом случае впервый разряд первого регистра 10записывается "О", а второго - "1",что приводит к включению первогоразряда ЦАП 14 и не включению первого разряда ЦАП 12. Таким образом,определяется знак преобразуемогонапряжения,Как только определена полярностьпреобразуемого напряжения, цифровойпереключатель 13 подключает выходыпреобразователя к выходам первогорегистра 10 при положительной полярности или к выходам второго регистра 11 в случае отрицательной полярностие По фронту второго тактового импульса во вторые разряды регистров 1 О и 11 записывается следующий результат сравнения преобразуемой величины и суммы выходных величин ЦАП 12 и 14, При этом, если преобразуемая величина по абсолютному значению больше значения сумм вьходных величин ЦАП 12 и 14, то включается второй разряд ЦАП 12 и не включается второй разряд ЦАП 14, если меньше, то не включается второй разряд ЦАП 12 и включается второй разряд ЦАП 14.Определение остальных разрядов кода происходит аналогично, е той лишь разницей, что при возникновении третьего состояния - состояния искусственного нуля, на прямом выходе коммутатора 8 устанавливается уро вень "1" в,случае положительной полярности преобразуемой величины и 20 25 30 35 40 45 50 58 6уровень "О" в случае отрпц, тсп"полярности, независимо от состояннксигнала на выходе компара тор 5, ч тои определяет включение или не включение соответствующих разрядов ЦАП 12и 14, С приходом фронта (и+1)-готактового импульса в первый 1 О ивторой 11 регистры записывается зна чение последнего разряда кода и од-новременно сбрасывается триггер 1.Прохождение тактовых импульсов запрещается и процесс аналого-цифрового преобразования прекращается.Результат преобразования снимается свыходов цифрового переключателя 13,Повышение точности предлагаемого биполярного аналого-циФрового пре - образователя достигается за счет отслеживания ситуации, когда модуль разности преобразуемой величины и суммы выходных величин ЦАП становится меньше значения кванта и приближается к нулю. Причем сама зона,в которой отслеживаются эти ситуации, создается за счет дрейфа порога срабатывания основного и дополнительного компараторов, поскольку значения этого дрейфа при идентичности параметров компараторов примерно равны, но из-за принятого способа включения входов компараторов их пороги срабатывания смещаются в противоположные направления, Идентичности параметров компараторов можно добиться либо подбором компараторов в пары, либо исполнением их в одном корпусе на одном кристалле. Тем более, что необходимо и достаточно лишь, чтобы в каждом отдельном компараторе дрейф происходил в одном направлении, а величины этих дрейфов были примерно. равны, При этом предполагается, что начальное смещение порогов срабатывания компараторов скомпенсировано. Так как в реальных компараторах дрейф всегда имеет место, то величина зоны третьего состояния не равна нулю в любом случае. Признаком попадания в зону является формирование на выходах компараторов одинаковых логических состояний: состоянию логического "О" на выходах компаратогров соответствует смещение порогасрабатывания первого компараторавправо от нуля, а второго - влево,состояние "1" возникает при смещении в противоположных предыдущему случаю направлениях, При этом область зопы можно интерпретировать как третье состояние составного компаратора, искусственный нуль его характе 5 ристики.11 аличие третьего состояния, позволяет отслеживать ситуации, когда разность между преобразуемой величиной и величиной суммы напряжений на выходах ЦАП меньше кванта и приближается к нулю, В этом случае соответствующий разряд формируется в зависимости от полярности преобразуемой величины, тем самым устраняется неидентичность преобразования отрицательных и положительных величин.Наличие третьего состояния позволяет устранить влияние дрейфа порогов срабатывания компараторов на погрешность аналого-цифрового преобразователя, так как дрейф порогов срабатывания компараторов в ту или иную сторону, если он не превышает значе 20 ния кванта, лишь изменяет в пределах 25 кванта величину зоны, в которой фиксируется третье состояние, что невлияет на результат преобразоВания,поскольку сравнение двух величин возквант. Так, например, при 1 б-разряд 45 ном аналого-цифровом преобразовании и максимальномзначении преобразуемого напряжения, равном 1 О В, величина кванта составит 153 мкВ. Дрейф порога срабатывания компаратора в известном аналого-цифровом преобразователе, что всегда возможно, так как определение корректируемой величины и процесс коррекции разнесены во времени хотя бы в пре)55 делах 5-10 мкВ уже вызывает погрешность в один квант. В предлагаемом преобразователе погрешность в один квант появляется лишь в можно только с точностью до кванта, 30Речь идет о несмещенной на величину, .равную половнне кванта, передаточнойхарактеристике преобразователя, хотяаналогичные рассуждения справедливыи в случае такого смещения, так какэто смещение не. влияет на суть рассматриваемого явления. В то же времядаже малейший дрейф порога срабатывания, превышающий зону нечувствительности компаратора, в известных40аналого-цифровых преобразователяхнезависимо от того имеет ли данныйкомпаратор гистерезис илн нет, приводит к погрешности минкчум в один том случае, если величина дрейфа порога срабатывания компаратора превы-,шает значение кванта, т.е. значение153 мкВ,Кроме того точность повышаетсяблагодаря соединению выходов ЦАПимеющих идентичные параметры и противоположные по знаку выходные напряжения, ввиду компенсации аддитивнойсоставляющей погрешности этих ЦАП иуменьшения мультипликативной составляющей погрешности. Причем в соответствии с принятым алгоритмом отсутствует переключение разрядов ЦАП, поскольку эти разряды либо включаются,либо не включаются, что снижает динамические погрешности, обусловленныепереходными процессами.Использование изобретения позволяет создавать аналого-цифровые преобразователи, в которых величина квантатого же порядка, что и величина дрейфа порога срабатывания компаратора,Ф о р м у л а изобретения Биполярный аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговое запоминающее устройство, информационный вход которого является входной шиной, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, входы которых соединены с выходами соответствующих первого и второго регистров, установочньж входы которых объединены, а информационные входы подключены к соответствующим выходам группы выходов распределителя тактовых импульсов информационный. вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход сумматора соединен с инвертирующим входом первого компаратора, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что., с целью повышения точности преобразователя, в него введены второй компаратор, коммутатор, элемент ИСКХПОЧА 1 ОЩЕЕ ИЛИ, цифровой переключатель . и триггер, первый вход которого объединен с установочными входами распределителя тактовых импульсов аналогового запоминающего устройства и первого регистра и является шиной пуска, а выход подключен к входу тактового генератора, второй вход триггера соединен с последним выходом распределителя10 1520658 Составитель В,Махнановтор И.Шмакова . Техред Л.Сердюкова Корректор Э. Лончако 6769/57 Тираж 884 Подписноевенного комитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4 НИИПИ при ГКНТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,тактовых импульсов, выход аналогового запоминающего устройства соединен с неинвертирующим входом первого и инвертирующим входом второгокомпараторов, неинвертирующий входпоследнего соединен с выходом сумматора, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, 10выход которого подключен к первомувходу коммутатора, второй вход которого соединен с выходом первого .компаратора, а третий вход - с выходом знакового разряда цифрового переключателя, остальные выходы которо"го являются информационной выходнойшиной, а первая и вторая группы информационных входов соединены соответственно с выходами первого и второго регистров, дополнительные входы которых соединены с первым и вторым управляющими входами цифровогопереключателя, а первый и второй входы записи регистров соединены соответственно с прямым и инверсным выхо.дами коммутатора,