Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХОЗЮФИОЮЮЕСЮИРЕСПУБЛИК ОПИСАНИ й АВТОРСКОМУ.(на ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОВРЕтЕНИЙ И 0 ТНРЫТИЙ(72) В.И.Диденко, В.П.федотови И.Д.Вельт71) Московский ордена Ленина и ордеОктябрьской Революции энергетичес"кий институт(54)(57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЭОВАТЕЛЬ, содержащий источник входногосигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь,арифметическое устройство и блок уп"равления, первые выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения,основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства,первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя, о т л и ч а ю щ и й 80.1123104 А с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены 1"1 управляемых переключателей полярности напряжения, И источников напряжения, определитель вида операции и М сумматоров, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответст-. вующего источника напряжения, а второй вход каждого-го сумматора соединен с выходом каждого 1 -го управляемого переключателя полярности напряжения, а выход, кроме первого сумматора, соединен с входом каждого -1 управляемого переключателя поляр" ности напряжения, вход последнего из которых соединен с выходом источ-ника входного сигнала, причем вторые выходы блока управления соединены с управляющими входами 1 -1 управляемых переключателей полярности напряжения и 8-1 входами определителя вида операции, М -й вход которого соединен с управляющим входом первого управля. емого переключателя полярности напряжения, а выход - с вторым входом арифметического устройства, при этом выход первого сумматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, 1 11231Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бытьиспользовано в устройствах преобразования измерительной информации сповышенными требованиями к точности.Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор,первый вход которого соединен совходной шиной, а второй вход - через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь; вычислитель, .основной аналого-цифровойпреобразователь соединен с выходомкомпаратора 1 .Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала,первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналогоциФровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления,первые выходы которого соединены соответственно с управляющими входами .первого управляемого переключателяполярности напряжения, основного ана. лого"цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый входкоторого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя г,Недостатком известного преобразователя является сравнительно большая З 5погрешность дискретности, которая ограничиватся разрядностью основногоАЦЯ. В преобразователе недостижимыодновременно требования высокого по"давления синфазных напряжений и шу Омов и требования малости напряжениясмещения и входных токов. Снижение. действия входного синфазного напряжения в схеме возможно, если периодчастоты этого напряжения намногопревышает время преобразования АЦП.В этом случае входное синфазноенапряжение вносит погрешность, знаккоторой не зависит от полярностивходного напряжения, Так как абсо- олютные значения этих погрешностейна первом и втором тактах весьмаблизки, они практически полностьювзаимно уничтожаются. При повышениивходного синфазного напряжения появляется необходимость уменьшатьвремя преобразования АЦП. Сокращение этого времени способствует Оч 2также снижению действия шумов входных цепей основного АЦП (например, его входного. усилителя) на результат преобразования, Это связано с переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, сво бодную от действия низкочастотных шумов. Однако сокращение времени пРеобразования АЦПвынуждает исполь зовать быстродействующие ключи, например ключи на полевых транзисторах, для которых характерны большиезначения входных токов. Так, например, для ключей коммутатора К 599 КНток утечки 3 открытого канала достигает значейия 100 нА. Е этому значению следуе прибавить ток перезаряда межэлектродных емкостей 31,ею,;где С - значение емкостиф7 - значение управляющего напряжения,- частота переключения.При к =10 кГц, С-:10 пф, Ч щ 103, 3 =1 мкА, Эти токи, протекая через собственное сопротивление ключагкл ф вносят погрешность макк равнуюкь "кл 1 с у) и достигающую при г 200 Ом значе ния 220 мкВ. Так как ь, 3 и Зтс на первом и втором тактах вносятся разными элементами, взаимной компенсации погрешностей Чк не происходит, Результирующая погрешность Мск,см км "кк.а у где Ч.к, и Чкд - значения погрешностей Ч,ц, . соответствующих 1-му и 2-му тактам, эквивалентна погрешности смещения АЦП и может достигать значения /клСтоль высокое значение погрешности исключает возможность применения указанного преобразователя для преобразования сигналов низкого уровня при высоких требованиях к ослаблению действия входных сннфазных напряжений н шумов.Целью изобретения является повышение точности преобразования.Поставленная цель достигается тем, что в аналого"цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого сосоединен с управляющим входом первого управляемого переключателя полярности напряжения, а выход - с вторым .входом арифметического устройства,при этом выход первого суиматора сое" дииен с входом аналого-цифрового преобразователя.На фиг.1 представлена структурнаяФэлектрическая схема преобразователя,35 на фиг.2 - передаточная характеристи ка основного АЦП. Преобразователь содержит источник 1 входного сигнала, первый управляе мый переключатель 2 полярности напря жения, основной аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) 3, арифметичес кое устройство 4, блок 5 управления,определитель 6 вида операции, источ-.45 ник 7 напряжения, генерирующий напряжения Ч.4, где ( -шаг шкалы, сумматор 8, управляемый переключатель 9 полярности напряжения источник 10 напряжения, генерирующий напряжения с 8, сумматор 11, управляемый переключатель 12 полярности напряжения, источник 13 напряжения, генерирующий напряжение ( /2 , где Й - число сумматоров, сумматор 4.Источник 1 подключен ко входу Ч-го управляемого переключателя 50 55 12, выход которого соединен с первым Э 1123 единены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя, введены М -1 управляемых переключателей полярности напряжения, Й источников напряжения, оп ределитель вида операции и М сумматоров, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего источника напряжения, а второй вход каждого-го сумматора соеди нен с выходом каждого-го управляемого переключателя полярности напряжения, а выход, кроме первого сумматора, соединен с входом каждого 1-1 управляемого переключателя полярности напряжения, вход последнего иэ которых соединен с выходом источника входного сигнала, причем вторые выходы блока управления соединены.с управляющими входамн М -1 управляЪ 5 емых переключателей полярности напря женин и М "1 входами определителя вида операции, М-й вход которого 104 4входом И -го сумматора 14, Второй вход И -го сумматора 14 соединен с Я-м источником 13, Выход сумматора 14 соединен со входом Н -2-го управляемого переключателя полярности напряжения (не показан). Выход первого управляемого переключателя 9 соединен с первым входом второго сум" матора 11, второй вход которого соединен со вторым источником 10 Выход второго сумматора 11 соединен со входом управляемого переключателя 2, выход которого соединен с первым вхо. дом первого сумматора 8. Второй вход сумматора 8 связан с первым источником 7 напряжения. Выход первого суиматтора 8 соединен со входом основного АЦП 3, выход которого соединен . со входом арифметического устройства 4. управляющие входы управляемых переключателей полярности напряжения (показаны переключатели 29 и 12), основного АЦП 3 и вход связи с арифметическим устройством 4 соединены с блоком 5. Входы определителя 6 соединены с управлаацими входаии управляемых переключателей 2, 9, 12 и другйх. Определитель 6 подает на вход управления видом операции арифметического устройства 4 первый управляющий сигнал, например логическую единицу, если число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии, чет" но, или второй управляющий сигнал, например логический ноль, если. число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии, нечетно.При первом сигнале на выходе управления видом операции арифметического устройства 4 код, имеющийся на его входе, после команды от блока 5 прибавляется к ранее накопленной сум ме. При втором сигнале на входе управления видом операциями арифметического устройства 4 коп 1 имеющийся на его входе, после команды от блока 5 вычитается из ранее накопленной сумиы. Результат преобразования АЦП фор. мируется на выходе арифметического- устройства 4 в соответствии с формулой(1)ф 1 а 1где Ь; - результат 1 -го преобразования основного АЦП 3," - число преобразований основного АЦП;например И -го, такта по команде сблока 5 8 -1-й управляемый переключатель полярности напряжения (например, И -1-й управляемый переключатель 12) переходит во второе состояние. На втором подтакте-го такта повторяются предыдупще 1 -1 тактовв произвольной (например, начиная с1-го и кончая 4 -1-м тактом) последовательности, На третьем подтакте-го такта по команде с блока 5Ы-й управляемый переключатель поляр-ности напряжения переходит в первоесостояние. В процессе выполнения этихдействий на выходе АЦП Формируетсякод 1 22 я,) 1 (2)ф 1являющийся результатом преобраэования АЦП.Работа АЦП поясняется для случаяИ=1. В этом случае переключатели 9 и 12, источники 10 и 13, сумматоры 11 и 14 (фиг. 1) отсутствуют, и пре" образуемое напряжение поступает на управляемый переключатель 2, а функционирование АЦЙ ограничивается вспомогательным и первым тактами,На первом подтакте первого тактана вход основного АЦП 3 поступает напряжение, равное ф Ч ,/4, где Ч- значение преобразуемого напряжения, на втором нодтакте первого такта на вход основного АЦП З.поступает напряжение, равное 1 Ч ф/ф . На выходе основного АЦП 3 при этом появ.ляются коды 1., исоответственно. Возникающий на выходе арифмети О ческого устройства 4 код Ь 12 Ь- Ц)характеризуется вдвое меньшей погрешностью дискретности, чем погрешность дискретности основного АЦП 3. Это следует из рассмотрения передаточной: 45характеристики основного АЦП 3 (Фиг.2, кривая 15) . Действие первого источника 7 напряжения эквивалентно смещению передаточной характерис.тики основного АЦП 3 на/4. По мере увеличения У от значения, равного нулю, значение 4 - 1 2 на выходе арифметического устройства 4, равное 1, достигается при 3/7 Ч/,значение, равное 2, достигается при 5/4 1 У 3/4. Таким образом, код - 2 имеет дискретность, равную 12, т.е. вдвое меньшую, чем дискретность, основного АЦП 3. Это дает воз ф 1123104,11 - число управляемых переклуочателей полярности напряжения, находящихся во второмсостоянии нри выполнении"го преобразования основмого АЦП 3.Процесс преобразования АЦП зави сит от того, какие именно преимущестф ва (снижение погрешности дискретнос 10 ти, шумов, действия входных синфазных напряжений) должны быть реализованы. Снижение погрешности дискретности в 2 " раз при одновременном ослаблении действия входиьис синфазных нацряжений и шумов достигается15 при.выполнении приведенной ниже последовательности действий.Процесс преобразования состоит из .одного вспомогательного такта и К тактов. На вспомогательном такте по команде с блока 5 в арифметическое устройство 4 записывается ноль, а управляемые переключатели полярности напряжения устанавливаются в ервое состояние. Каждый такт состоит из трех подтактов. На первом подтакт те первого такта1, й =0 в Формуле (1)1 по команде с блока 5 основной АЦП 3 осуществляют преобразование имеющегося у него на входе напряжения. в код 4 . На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код Ь, . На втором подтакте по команде с блока 5 первый управляемый переклю. чатель 2 переходит во второе состояние1 2, и 1 в Формуле (1), и основной АЦП 3 преобразует имеющееся у него на входе напряжение в код 12 . На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код 1/2 (14,-12), На третьем подтакте первого такта управляемый переключатель 2 ко команде с блока 5 устанавливается в первое состояние. На первом подтакте второго такта по команде с блока 5 первый управляемый переключатель 9 переходит во второе состояние. На втором подтакте второго такта повторяются операции первого такта. На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код 1/4 (Е. -Е +Ьч,), где Ь и 1., - коды ма выходе осйовного АЦН 3 на втором подтакте второго такта. На третьем подтакте второго такта по ко" маиде с блока 5 первый управляемый переключатель 9 переходит в первое состояние, На первом подтакте-го,,определитель 6, источник 7, сумматор8, как АЦП с передаточной характерис.тикой (Фиг;2 кривая 16) н погрешностью дискретности вдвое меньшей, чему основного АЦП З.Прибавление к АЦП,состоящему из указанных элементов,переключателя 9, источника 10 и сумматора 11 снижает погрешность дис"кретностн еще вдвое,Ослабление действия переменныхсинфазных входных напряжений и шумовпри сохранении точности, характернойдля точного и медленнодействующегоуправляемого переключателя полярности напряжения, связано с возможностью использования в качестве управляемого переключателя 12 полярности напряжения точного и медленнодействующего элемента, построенного,например, на герконах. Управляемыйпереключатель 2 полярности напряжения при этом должен быть быстродей-ствующим и может вносить значительное напряжение смещения без ущербадля точности АЦП. Порядок действийможет быть упрощен, если достаточнонезначительное, например четырехкратное (1"2), снижение погрешностидискретности. В этом случае снижение действия входных синфазных напряжений и шумов достигается выполнением 2-М (М - целое положительноечисло) преобразований основного АЦП3 при первом состоянии управляемогопереключателя 12 полярности напряжения и 2 М преобразований основногоАЦП 3 прн втором состоянии этогоэлемента, причем каждое нечетное преобразование из 2 М преобразований соответствует первому, а каждое четное - второму состояниям управляемого переключателя 2. Результат преобразования АЦП в этом случае формиру-. 23104 8ется как сумма 4 М кодов, соответствующих 4 М преобразованиям при первом ивтором состояниях управляемого пере-ключателя 12 полярности напряжения.5 Знаки кодов ; , формирующих в соответствии срезультат преобразования АЦП 1, определяются в соответствии с изложенным ранее порядкомработы арифметического устройства 4 10 и определителя 6 вида. Ослаблениедействия переменных синфаэных напряжений связано с уменьшением приращения абсолютной погрешности, вносимойпеременным сиифазным напряжением на 15 интервапе двух следующих одно задругимпреобразований основного АЦП3, и со статистическим усреднениемэтих приращений. Снижение шумов обусловлено их статистическим усреднением 20 и переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, свободную от низкочастотных шумЬв.Использование дополнительных элементов выгодно отличает преобраэова тель от прототипа, так как при томже наборе элементов за счет использования источников напряжения и сумматоров удается значительно снизитьпогрешность дискретности, погрешности от синфазного сигнала, шумов ивходных токов. Получаемый за счет повышения точности эффект может быть весьма значительньк, если, например, использовать дешевый АЦП с малым числом разрядов вместо дорогого многоразрядного АЦП. Целесообразность применения предлагаемого АЦП повышается в томслучае, если имеется очень точный,но малоразрядный основной АЦП, изготовленный в виде законченного модуля, причем доступ к его внутренним точкам (например, для подключения дополнительных разрядов АЦП) отсут-.45ствует