Аналого-цифровой преобразователь

,ЯО М 1/14 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМ щис ти приГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградский электротехническии институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) А,Х.Мурсаев, О,В Лишов и М.И,Коротин(56) Полубабкин И,В. Способ построения многоразрядных АЦП с цифровой коррекцией динамических погрешностей, - Вопросы радиоэлектроники. Сер. Электронная вычислительная техника. Вып. 11, 1981, с, 125.Авторское свидетельство СССР У 1325697, кл. Н 03 М 1/14, 1986. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВА- ТЕЛЪ 57) Изобретение относитсяительной технике и может менение в цифровых измерительныхсистемах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины, Изобретение позволяетповысить точность преобразования. Этодостигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь,.содержащий аналого-цифровые преобразователи 1 и 2,цифроаналоговый преобразователь 3,вычитатель 4, управляемый усилитель5, циФровой умножтель 6, арифметическое устройство 8, генератор 12 тактовых импульсов, генератор 16 начальной установки, счетчик 15 импульсов, элементы 13, 14 задержки, введены цифровой умножитель 7, накапливавщий сумматор 9, регистр 10, блок11 памяти, элемент ИЛИ 17, арифметическое устройство выполнено в видецифрового сумматора-вычислителя.1 ил.Изобретение относится к вычисли-тельной технике и может найти применение в цифровых измерительных системах, устройствах ввода аналоговойинформации в цифровые вычислительныемашины.Целью изобретения является повышение точности преобразования,На чертеже приведена функциональная схема описываемого аналого-цифрового преобразователя.Аналого-цифровой преобразовательсодержит аналого-цифровые преобразователи 1, 2 (АЦП), цифроаналоговый 15преобразователь 3 (ЦАП), вычитатель4, управляемый усилитель 5, первый6 и второй 7 цифровые умножители,циФровой сумматор-вычитатель 8, накапливающий сумматор 9, регистр Ю, 2 Облок 11 памяти, генератор 12 .тактовых импульсов (ГТИ), элементы 13,14 задержки, счетчик 15 импульсов,генератор 16 начальной установки(ГНУ), элемент ИЛИ 17, управляемый 25усилитель 5 состоит из резистора 18,операционного усилителя 19, цифроаналогового преобразователя 20,Преобразователь работает следующимобразом, 30После включения питания на выходегенератора 16 формируется импульс,который поступает на вход сброса регистра 10 и вход сброса счетчика 15 исбрасывает их в "0", этот же импульсчерез элемент ИЛИ 17 поступает навход сброса накапливающего сумматора9 и сбрасывает его в "0", Нулевойвыходной код регистра 10 определяетв этот момент времени нулевой адрес щона блоке 11, по которому из блока 11выбирается и устанавливается на входах ЦАП 20 и первых входах цифровогоумножителя 6 код Бноц45Каждое преобразование входногонапряжения Б (С) в выходной код давыдинициируется импульсом генератора 16. Входное напряжение 11 (С) поступает 5 О на вход АЦП 1, который преобразует его в двоичный код, В момент времени С,( при поступлении на тактовый вход АЦП 1 импульса с ГТИ 12 на выходах АЦП 1 фиксируется код И, соответствующий значению входного напряжения в этот момент времени,И=У(1, )-Ь,(,дцп,где К н - крутизна характеристикиАЦП 1;ЬК, - погрешность квантованияАЦП 1,Код 1)1, поступает на ЦАП 3, который Формирует точный аналоговый эквивалент П д, грубого цифрового приближения входного напряжения 13 (С,)в)(1 цддКцдо дгДе К, - крутизна характеристикиЦАП 3,Промежуточный аналоговый сигналБнд вычитаетсЯ в вычитателе 4 изцдпвходного напряжения 11 в(С), На выходевычитателя 4 при Кд =1/К,д,образуется разностное напряжение Д (С ), которое усиливается усилителем 5. Напряжение Б), на выходе управляемогоусилителя 5 равносв)) Ундин) фпричем К - коэффициент усиленияуправляемого усилителя 5 определяет"ся следующим образом:где К- коэффициент наклона харак 1( теристики ЦАП 20, имеющийразмерность проводимости;В - величина сопротивления вовходной цепи управляемогоусилителя 5;11)1 - числовой эквивалент кода,подаваемого на входы ЦАП20;1(1- максимальный числовой эквимо)сlвалент кода ИНапряжение 11( поступает с выходауправляемого усилителя 5 на входАЦП 2, который преобразует его в кодБ . Код 1)1 фиксируется на выходахАЦП 2 при поступлении на его тактовыйвход тактового импульса с выхода элемента 13 в момент (С, +с ), гделс- время задержки поступления тактового импульса на АЦП 2 относительно времени его поступления на АЦП,учитывающего время преобразования11 (С) АЦП 1, время переходных процессов в ЦАП 3 и операционном усилителе19, которое определяется элементом 13. Если напряжение П в момент (с- ++ ) не превосходит значений допусМФ;тимого диапазона входного напряженияАЦП 2, код Б определяется следующимобразом:10 1,= 11,: С, +щ. +к 2(+щ,3 К,цп,э где(С, +,аА) - выходное напряжениеусилителя 5 в момент поступления тактового импульсана тактовый вход АЦП 2;К 1 - крутизна характеристикиАЦП 2;К 2 - погрешность квантованияАЦП 2,Если напряжение ь в момент (С, + +ад,) будет больше значений допустимого диапазона входного напряжения АЦП 2, то15=Е2 2 макагде- код, числовой эквивалент2 макскоторого равен максимальному целому числу у которое 20можно представить выходнымкодом АВ 2,При этом код 12 определяется с динамической погрешностью, равной252 2 макс 1где И - идеальное значение кода 12 ъсоответствующее величиневыходного напряжения 1 управляемого ус лите я 5- 30Код 1 с выходов АЦП 3 поступает на вторые входы цифрового умножителя 6, на выходах которого образуется код35Код 2 поступает на вторые информационные входы цифрового сумматоравычитателя, на первые информационные входы - И,; с учетом знака напряжения Б учитываемого по знаковому разря ду АЦ 11 2, на выходе цифрового сумматора-вычитателя образуется выходной код устройства 45 где К - коэффициент передачи сумматора-вычитателя по входамкода 1, .Одновременно кодпоступает на первые и вторые входы цифрового умножителя 7, на выходе которого образуется код М= . Этот код поступает на вход данных накапливающего сумматора 9, с приходом тактового импульса на вход записи накапливающего сум матора 9 с выхода элемента .14 в момент времени (С, +с +а ), где (,р время задержки поступления тактового импульса на вход записи накапливающего сумматора 2 относительно моментапоступления его на тактовый вход АЦП2, учитывающего время преобразованияАПП 2 и время работы цифровых умножителей 6, 7, кодсуммируется вгнакапливающем сумматоре 9 со значением, находящимся там ранее. Тактовыйимпульс с выхода элемента 14 поступает также на счетный вход счетчика 15и увеличивает значение кода, записанного в нем, на единицу,В следующем цикле преобразования,инициируемом следующим тактовым импульсом ГТИ 12, описанный процесспреобразования повторится - на выходе цифрового сумматора-вычитателя 8сформируется новое значение 1 ,вВЬПнакапливающем сумматоре 9 новое значение кода Б просуммируется со зна,22чением, записанным там ранее, значение кода, записываемое в счетчик,.увеличится на единицу.Так будет продолжаться до тех пор,пока число тактовых импульсов ГТИ 12не станет равным коэффициенту пересчета Ь счетчика 5, При этом на выходесчетчика 15 появится единичный сигнал, который поступает на вход записи регистра 10 и через элемент 17 навход сброса накапливающего сумматора9. По этому сигналу значение, накопленное в накапливающем сумматоре заЬ тактов преобразования и равноеМ=, (11)Езапишется в регистр 1 О, а с некоторой задержкой, обусловленной задержкой передачи сигнала через элемент 17, произойдет сброс накапливающего сумматора 9. Код М с выхода регистра 10 поступает на адресные входы блока 11, Код, выбранный из блока 11 по адресу, определяемому кодом М, поступает на входы ЦАП 20 и первые входы цифрового умножителя 6 и будет неизменным следуищие Ь таковых преобразований. Следующий цикл преобразования инициируется поступлением нового тактового импульса с ГТИ 12.Период следования тактовых импульсов ГТИ 12 должен учитыватььс а и с , где с д - время, необходимое ЯД 1для срабатывания регистра 10, выбор 1 ки из блока 11 нового значенияи окончания переходных процессов в операционном усилителе 19,5 1451856 6При использовании идентичных АЦП ной код устройства определяется сле, 2, т,е, при Кц =Кц =Кц, выход- дующим образом: 118 ы КдцьК 1 В 1(С 1 ) вд 1(С)- КЧ 11 Кд Г 19 х(С 4 ) К дп П Ак (С "ъод )при 11 т11 д=К 11 + 11 И 40 подавляется, и динамическая погрешность, при этом При неизменном входном напряжении 11 (С) и принебрежении малыми ошибками АЦП 1 и ЦАП 3 достаточно чтобы 10 вес старшего разряда кода И был равен половине веса младшего разряда кода И При этом коэффициент усиления управляемого усилителя 9 К должен быть равен К=2 , где Б - число двоичных разрядов АЦП 2, что обеспечивается подачей на входы ЦАП 3 кодаТакое значение 11 и устанавлива ется на входах ЦАП 20 в начальный момент работы. Для этого код Ищ записывается в блок 11 по адресу "000О", который устанавливается на адресных входах блока 11 в первый момент времени после включения устройства вследствие обнуления выходного кода регистра 10 по приходу импульса с ГНУ 16.Установление такого коэффициента усиления К управляемого усилителя 9 при неизменном входном напряжении обеспечивает равенство значения максимального выходного напряжения управляемого усилителя 9 и максималь ного значения допустимого напряжения входного АЦП и минимизацию статических погрешностей преобразования, а при выполнении условий: Однако за время между моментами фиксации кодов И и Иа, то есть между моментами времени С и (С, +ь, д), входное напряжение 11(С) может изменит ься на величину + Ь ( С, + сд,), 50 поэтому А 1111 3 преобразует в код не только усиленное значение 6,(С), а и усиленную величину (цс(С)ф Ь(С + +Г,д 1), при этом выходное напряжение управляемого усилителя 5 может превысить значение допустимого диапазона входного напряжения АЦП 3, и код И будет равен Гв;а ,. Выходной код устройства в этом случае равен и определяется с динамической погрешностью,Дпя исключения пОдобных ситуацийнеобходимо уменьшить коэффициент усиления Куправляемого усилителя 5, ас тем, чтобы функциональная характеристика преобразователя не изменилась, аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя 6по входам кода Б. Уменьшение коэффициента усиления К приведет к увеличению статической погрешности преобра.3зования, максимальная полная погрешность преобразования уменьшится.Однако изменение коэффициента усиления К должно быть таким, чтобыпри исключении с большой вероятностьюдиапазона допустимого входного напряжения АЦП 2 значением выходногонапряжения в управляемом усилителе5 это изменение минимально отразилосьна статической точности преобразования.С другои стороны, в последующихциклах преобразования величина изменення е 5 1(в, еа,вханнага ненаяне 1ния Ц (С может быть меньше, чем вЬдпредыдущих циклахПри этом коэффициент усиления К можно вновь увеличить, а чтобы /функциональная характеристика преобразователя при этомне изменилась, соответственно уменьшить коэффициент передачи цифровогоумножителя 6 по входам кода И . Увеличение К приведет к уменьшениюстатическбй погрешности преобразования и уменьшению его полной погрешности,Однако увеличение коэффициентаусиления К должно быть таким, чтобы вероятность превышения диапазонадопустимого входного напряжения АЦП2 значением выходного напряжения впоследующих циклах преобразования нестала выше заданного уровня, Эту вероятность можно оценить, зная текушиединамические характеристики входного сигнала.Таким образом, для постоянногоподдержания оптимального соотношениямежду статической и динамической погрешностями преобразования оценка необходимой степени изменения (уменьшения или увеличения) величины коэффициента усиления К должна проиэво 5 диться периодически по текущим значениям динамических характеристик входного сигнала и на основе их периодически корректироваться . Это производится следующим образом.Характеристикой, определяющей динамические характеристики .входного сигнала и вероятность превышения выходным напряжением управляемого усилителя 5 величины допустимого диапазона входного напряжения АЦП 2, является среднеквадратическое отклонение 8 сигнала на входе управляемого усилителя 5, Дпя большинства реаль-.2 О ных входных сигналов величину напряжения на входе управляемого усилителя 5 в момент фиксации кода Б на выходах АЦЛ 2 можно считать случайной величиной, распределенной по нормаль ному закону и центрированной относительно нулевого значения. При этом коэффициент усиления К необходимо выбирать из условияЭО1к ККдч З 11 максТогда, если входной процесс стационарен, вероятность того, что код в последующих измерениях превысит значе 35 ние М, будет пренебрежительно мала, Если рассматриваемый сигнал не стационарен, то значение 8 будет меняться, при этом значение К должно периодически корректироваться. Так 4 О как изменение коэффициента усиления К и коэффициента передачи цифрового умножителя 6 по входам кода И не изменит общую функциональную характеристику устройства, оценить диспер сию сигнала на входе управляемого усилителя 5 можно по дисперсии сигнала на выходе цифрового умножителя б. Код М на выходе накапливающего сумматора 9 после каждого Ь го цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора 2 определяется как(и )е:равен дисперсии Р величины кода Б центрированной относительно нулевого значения, т,е Тогда можно определить необходимый коэффициент усиления следующим образом.йъ - 111 макез р (и,),к,е=Затем вычисляются коды Я , определяющие для различных значений М==Ю, характеризующих текущие динамические характеристики входногосигнала, соответствующие им необходимые значения коэффициентов усиленияК, и заносятся по адресам, равнымкодам М, в блок 11.Таким образом, после каждого Ь гоцикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора навыход регистра 10 с выхода накапливающего сумматора 9 переписываетсякод, определяющий дисперсию сигналана входе управляемого усилителя 5,и по этому коду из блока 11 выбирается код И , определяющий необходимый коэффициент усиления К, Вследствие этого исключается с заданнойвероятностью превышение выходным напряжением управляемого усилителя 5величины допустимого диапазона входного напряжения АЦП 2 и для выбранной вероятности устанавливается оптимальное соотношение статической идинамической погрешностей преобразованияВ отличие от,прототипа, в описанном преобразователе не фиксируетсянаихудший случай, характеризующийсямаксимальной скоростью изменениявходного напряжения У (1) за весьпредшествующий период с начала работы устройства; выбор коэффициентаусиления К осуществляется в соответ 3ствии с динамическими характеристиками входного сигнала, оценка которых производится за конечное числоЬ предшествующих циклов преобразова"ния,Число Ь, с одной стороны, выбирается из условия достаточности статистической выборки, т,е . заданной точности оценки величины П, причем число Ь растет с увеличением заданной точности оценки. С другой стороны, число Ь выбирается из характерис9 145тик изменчивости измеряемо,го неста-,ционарного процесса,Для того, чтобы погрешность определения Э не сказалась на работеустройства, ее необходимо учесть, используя следующее соотношение:1 100-1 К К= ( - )-)1 1856 10 где - заданная относительная погрешность определения величины 1) в процентах.Кроме того, выполнение этого условия делает данное устройство менее критичным к динамическим всплескам входного сигнала на кратковременных интеовалах, характеризующихся высокой скоростью йзменения входного напря;хе.Шя И(1) . Формула изобретения ми накапливающего сумматора, а выходы регистра через блок памяти объединены с соответствующими цифровыми входами управляемого усилителя,50 Составитель А.Титов Редактор А Маковская Техред М.ХоданичКорректор С.1 Гекмар,ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Аналого-цифровой преобразователь, содержащий арифметическое устройство, источник импульсов, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобразователь, вычитатель, управляемый усилитель, первый цифровой умножитель, генератор начальной установки, генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы задержки, аналоговый вход первого аналого-цифрового преобразователя и первый вход вычитателя объединены и являются входной шиной, выходы первого аналого-цифрового преобразо вателя соединены с соответствующимй входами цифроаналогового преобразователя и первыми информационными входами арифметического устройства, второй вход вычитателя соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход вычитателя соединен с аналоговым входом управляемого усилителя, цифровые входы которого объединены с соответствующими первыми входами первого цифрового умножителя, вторые входы которого соединены с соответствующими цифровыми выходами второго аналого-цифрового преобразогателя,аналоговый вход которого соединен свыходом управляемого усилителя, тактовый вход объединен с входом первого элемента задержки и соединен свыходом второго элемента задержки,вход которого объединен с тактовымвходом первого аналого-циФрового преобразователя и соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выходыпервого цифрового умножителя соединены с соответствующими вторыми информационными входами арифметического устройства, выходы которого являются выходной шиной, о т л и ч аю щ и .й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй цифровой умножитель, накапливающий сумматор, регистр, блок памяти,. элемент ИЛИ, аарифметическое устройство выполненов виде цифрового сумматора-вычитателя, управляющий вход которого соединен с выходом знакового разрядавторого аналого-цифрового преобразователя, причем выходы первого цифрового умножителя соединены с соответствующими первыми и вторыми входами второго цифрового умножителя, вы"ходы которого соединены с соответствующими входами данных накапливающего сумматора, вход записи которогообъединен со счетным входом счетчикаимпульсов и соединен с выходом пер-,вого элемента задержки, вход сбросанакапливающего сумматора соединен свыходом элемента ИЛИ, первый вход которого объединен с входами сброса регистра, счетчика импульсов и соединенс выходом генератора начальной установки, второй вход элемента ИЛИ объединен с входом записи регистра исоединен с выходом переполнения счет"чика импульсов, входы данных регистрасоединены с соответствующими выхода 5 10 15 20 25 30 35 40 45