Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей

Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл, Н 03 К 13/20 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(71) Заявитель Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборосроения(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЦИФРОВОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТЕЙ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованов системе автоматического измерения,а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической 5цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровойкод,Известен аналого-цифровой преобра Оэователь с автоматической калибровкой, содержащий источники измеряемого и двух эталонных напряжений, выходы которых через аналоговый коммутатор соединены с преобразователем напряжение-частота, реверсивные счетчики, генератор эталонной частоты, устройство управления и элементы И, кроме того, он содержит регистры памяти,дешифраторы и блок сравнения. В аналого-цифровом преобразователе с автоматической калибровкой по команде"Калибровка" устройство управления начинает поочередно подключать к входупреобразователя напряжение-частота 25источники первого и второго эталонных напряжений. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в реверсивныхсчетчиках и регистрах памяти не установится с заданной степенью точнос 2ти значение "множителя смешения нуля" (начальной установки) и "множителя калибровки" (времени измерения), которые при измерении неизвестного напряжения компенсируют погрешности "ухода нуля" (аддитивная погрешность) и "изменения крутизны" (мультипликативная погрешность) преобразователя напряжение-частота. Другими словами, после нескольких циклов калибровки методом последовательного приближения вырабатываются значения начальной установки и времени измерения, при которых, независимо от изменения характеристики преобразователя напряжение- частота, коды, соответствующие "нулевому" и "полномасштабному" значениям напряжений (нижней и верхней границам), равны с заданной степенью точности, заданным 11.Недостатком устройства является пониженное быстродействие преобразователя, обусловленное тем, что значения "множителя смещения нуля" и "множителя калибровки" вырабатываются после нескольких инеративных циклов калибровки, т.е. нескольких циклов последовательного приближения.Известен аналого-циФровой преобразователь с цифровой коррекцией погреюнастей, содержащий источники измеряемого и двух эталонных напряжений, преобразователь напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключаТели соединен с источниками напряжений, блок управления, первые три входа которого соединены с аналоговыми переключателями, первый, второй, третий, четвертый элементы И, первые входы которых соединены с четвертым пятым, шестым и ссдьмым выходами блока управления соответственно, а вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом преобразователя напряжение-частота, первый и второй реверсивные счетчики, входы которых соединены с выходами первого, второго, третьего и четвертого элементов И соответственно, генератор опорной частоты, первый и второй суммирующие счетчики, выход второго суммирующего счетчика соединен с входом блока управления, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого суммирующего и второго реверсивного счетчиков, а выход соединен с входом второго суммирующего счетчика, элемент ИЛИ, входы которого соединены с четвертым и пятым выходами блока управления, пятый элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора эталонной частоты, второй вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход соединен с вхоДом первого суммирующего счетчика, причем вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом преобразователя напряжение-частота 2.Недостатком является пониженное быстродействие преобразователя, обусловленное тем, что имеются 3 подтакта калибровки и только после этого следует такт измерения. При этом длительность третьего подтакта калибровки и равная ей длительность такта измерения сравнимы с длительностью первого подтакта калибровки и,в частности, равны ему, если преобразователь напряжение-частота не имеет погрешностей ухода нуля и изменения крутизны. Кроме того, недостатком известного устройства является сложность конструкции, например блока уп-. равления,параметры команд которого зависят от величины измеряемого напряженияИсточник 1 первого эталонного напряжения О предназначен для заданияпостоянного напряжения, величина кото рого не превосходит нижней границы диапазона измеряемых напряжений. Например, если измеряемые напряжения О находятся в диапазоне от 0 до 1 В, то величина напряжения О 0= ОВ. Источник 2второго эталонного напряжения О,предназначен для задания постоянного напряжения, величина которого не нижеверхней границы диапазона измеряемыхнапряжений. Например, если измеряемыенапряжения Ох находятся в диапазоне 40 от 0 до 1 В включительно, то величина напряжения О.Ъ 1 В. Источник 3 измеряемого напряжения Ох задает постоянное напряжение, значение котороготребуется представить в цифровом ви це. Аналоговые ключи 4,5,6 предназ -Цель изобретения - повышение быстродействия и точности преобразования.Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь с ци 5 ровой коррекцией погрешностей, содержащий первый и второй источники эталонного напряжения, источник измеряемого напряжения, которые через первый, второй и третий аналоговые ключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с первыми входами перного, второго и третьего элементов И,выходы первого и второго элементов Исоединены с вычитающим и суммирующимвходами первого счетчика соответственно, выходы первого и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами второго счетчика соответственно, третий счетчик, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и третьегосчетчиков, генератор, четвертый и пятый элементы И, введены первый и второй триггеры, делитель и сдвигающийрегистр, причем шина начальной установки соединена с установочными входами делителя сдвигающего регистра,15 счетчиков и триггеров, а выходы сдвигающего регистра соединены со вторыми входами аналоговых ключей и совторыми входами первого, второго итретьего элементов И, а вход - с выхощ 0 дом делителя, входом подключенного квыхбду генератора и первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с входом третьегосчетчика, выход второго счетчика соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второйвход которого подключен к выходу третьего элемента И, при этом единичныйвход первого триггера соединен с выходом пятого элемента И, а нулевойвход - с выходом двоичного умножителя.На чертеже представлена структурная35 схема аналого-цифрового преобразователя, содержащего источник 1 первогоэталонного напряжения Оо, источник 2второго эталонного напряжения Ощ, аналоговые ключи 4,5 и б, преобразователь напряжение-частота 7, сдвигающий регистр 8, делитель 9, первый,второй и третий счетчики 10, 11 и 12,генератор 13, элементы И 14, 15, 16,17 и 18 двоичный умножитель 19, триггеры 20 и 21, шину начальной установки 2, 788374(2) 45где И - количество импульсов на выходе двоичного умножнтеля;И 0 - число в счетчике 10,й- число в счетчике 11,Е - емкость каждого из счетчиков 10 и 11.Примером двоичного умножителя можетслужить микросхема К 155 ИЕ 8, один корпус которой позволяет подключить счетчик на 6 разрядов, т.е. Е=2 , два побследовательно подключенных корпусаК 155 ИЕ 8 - на 12 разрядов, т.е, Е=2и т.д.Устройство работает следующим образом.По команде "Начальная установка" ,60поступакщей на шину начальной установки 22, делитель 9 и счетчики 10,11 и 12 обнуляются, триггеры 20.,и21 устанавливаются в "О" состояние,в первый разряд сдвигающего" регист начены для поочередного подключенияисточников 1,2 и 3 ко входу преобразователя напряжение-частота 7. Преобразователь напряжение-частота 7 осуществляет преобразование величинывходного напряжения в частоту, причем преобразователь имеет как аддитивную погрешность (ухода нуля), таки мультипликативную погрешность (изменение крутизны характеристики),Сдвигающий регистр 8 предназначендля управления аналоговыми ключами4,5,6. Регистр 8 имеет 3 разряда,которые подключены к управляющимвходам аналоговых ключей и ко входам элементов И 14, 15, 16, Делитель 9 представляет собой счетчик 15постоянной емкости, выход которогосвязан с тактирующим (сдвигающим)входом регистра 8, Счетчик 10двоичный реверсивный счетчик. Счетчик 11 - счетчик результата измере- р 0ния напряжения О . Счетчик 12 - реверсивный счетчик. Генератор 13 предназначен для получения стабильной(постоянной) частоты. Он может бытьвыполнен на базе кварцевого генератора, Для нормального функционированияустройства достаточно, чтобы частотагенератора 13 отвечала соотношениюР"р,дргде Р= с оп ь . - частота генератора13; ЗОи махмаксимальная частота, которую можетформировать на своем выходе преобразователь напряжение- З 5частота 7,Соотношение (1) поясним ниже после рассмотрения работы устройства,Двоичный умножитель 19 предназначендля формирования количества импульсов отвечающих соотношению ра 8 записывается "1", во второй и третий разряды регистра записывается "0". Этот момент является моментом начала работы устройства, Единичный сигнал с выхода первого разряда регистра 8 является разрешением на замыкание переключателя 4 и разрешением на прохождение сигнала по первому входу элемента И 14, Источник 1 первого эталонного напряжения О оказывается подключенным ко входу преобразователя напряжение-частота 7, а чатота с выхода этого преобразователя поступает через элемент И 14 на вычитающие входы счетчиков 10 и 12. Этот процесс продолжается до поступления на тактирующий (сдвигающий) вход регистра 8 импульса переполнения с выхода делителя 9. Длительность первого такта измерения Т, определяется выражением:Би = СО 1, (3) где Е - емкость делителя;Р - частота генератора 13.Для. предлагаемого прибора величины Е и Г постоянны.В течение времени Т в счетчики 10 и 12 запишется шслон=г,.т,1где Н - число в счетчике 10 (и всчетчике 12);Г - частота на выходе преобразователя 7, соответствующаяэталонному напряжению Ос.Момент сдвига "1" с первого разряда регистра 8 во второй разряд этого регистра является началом второго такта измерения ТН 2 . Единичный сигнал с выхода второго разряда регистра 8 дает разрешение на замыкание ключа 5 и разрешение на прохождение сигнала по первому входу элемента И 15. Источник 2 второго эталонного напряжения О оказывается подключенным ко входу преобразователя 7, а источник 1 отключается, так как в первом разряде регистра 8 остается "0". Частота с выхода преобразователя 7 через элемент И 15 поступает на суммирующий вход счетчика 10, Этот процесс продолжается до поступления на тактирующий вход регистра 8 второго импульса переполнения с выхода делителя .9, т.е, в течение интервалаЕи 2 и СО"где Т - длительность второго интерИ 2вала измерения.В течение времени ТН 2 в счетчик 10 за пишется числой = Г, Т, (5) где К - число, записанное в счетчик10 по суммирующему входу,Г - частота на выходе преобра 2зователя 7, соответствующаяэталонному напряжению О,.Число Мг будет больше числа М;так как частота Г), г,1 Бследстт н:. Го -го, что О,р О, . Таким образом, послеокончания второго интервала измеренияв счетчике 10 буде зацисацс п,сцо10= - .1 Мтг=(Мг - ,1)5Момейт сдвига "1" со второго раз -ряда в третий является началом третьего такта измерения Т 1:. Единичный115сигнал с выхода третьего разряда регистра 8 дает разрешение ца замыкание ",Оключа 6 и разрешение ца прохождениесигнала по первому входу элемента И16. Источник 3 измеряемого напряжения Ох оказывается подключенным ковходу преобразователя 7, а источник 2 15отключается, так как во втором резвряде регистра 8 остается "0", частота с выхода преобразователя 7 черезэлемент И 16 поступает ца элемент И18 и суммирующий вход счетчика 12. 20Этот процесс продолжается до поступ- .ления на тактирующий вход регистра 8третьего импульса переполнения с выхода делителя 9, т.е, ц течение интервала25т= т,. - . т (Ягде Т- длительность третьего интервала измерения.В течение времени Т с выхода преобразователя 7 поступит МХимпульсов ЗОХ 5 и 3)где МХ - количество импульсов с выхода преобразователя 7,Г - частота на выходе преобразователя 7, соответствующая З 5измеряемому напряжению О.кОтметим, что М( МХМ,так какГ)ввиду того, что О,ООз,Импульсы М) поступают на суммирую Ощий вход счетчика 12 и на элементИ 18. Однако триггер 20 находится внулевом состоянии, тем самым лаетсязапрет на прохождение импульсов Мтчерез элемент И 18. Как только ца цсуммирующий вход счетчика 12 поступит числосчетчик 12 окажется в "0", импульсомобнуления с выхода счетчика 12 устанавливается в "1" триггер 20. Этимдается разрешение на прохождение импульсов М) через элемент И 18. Отметим, что на выходе триггера 20 сигнал "1" останется до окончания работы устройства, т.е. импульс обнуления с выхода счетчика 12 может устанавливать этот триггер только в "1",и если в процессе работы на входсчетчика 20 поступит еще один или несколько импульсов обнуления с выхода бОсчетчика 12, то этим состояние триггера 20. не может быть изменено (подтверждение состояния). Импульс Мподномером М)т= М 4 + 1 поступит через элемент И 18 на вход триггера 21, уста- ь 5 цовит триггер 21 в состояние "1", тем самым дается разрешение на прохождение импульсов с генератора 13 через элемент И 17 на вход счетчика 11. Это, в свою очередь, вызовет появление импульса на выходе двоичного умножителя 19, который установит триггер 21 на "0". Этим дается запрет на прохождение импульсов через элемент И 17 на вход счетчика 11. Импульс с выхода преобразователя 7 под номером Мт 3 = - М 1 + 2 вновь установит триггер 21 в "1", дается сигнал разрешения на элемент И 17, счетчик 11 заполняется импульсами с выхода генератора 13, появляется импульс на выходе двоичного умножителя 19 и т,д. Так будет продолжаться до импульса под номером Мх, где М Х определяется выражением (7). С учетом (8) количество импульсов с выхода двоичного умцожителя 19 равно;- МХ 1 = М- М,1) (9) где М- количество импульсов с выхода двоичного умножителя в течение ТМ.Количество импульсов на выходе двоичного умножителя связано с количеством импульсов ца выходе соотношения (2). С учетом (1) и (5) можно записатьМЦ 0= Г 2 туг 1 ГЬ= (д 1 ) "ЕИспользуя (2), (4) и (7), получимГ (йк.-).Е (1 х-Г 7 иО (" - Г 11 и ( 2 - 4) и 4Отсюцак к (/81 Е , )гХарактеристику преобразователя напряжение-частота 7 представим в виде"ВЬа= О +ОЬХ) (Жгде Г - частота на выходе преобразоЬЫХв ателя ,О 8 - напряжение на входе преобИраз ов ателя,Г) - начальное значение частотыпреобразователя,1 - коэффициент, характеризующий наклон характеристикипреобразователя,Так как время измерения незначительно по сравнению с постоянными времени изменения параметров преобразователя, то К=сопим и Г =сопряг для этого измерения. Тогда из (11) следует0 О)Г) = Е) + М Ощ)Гх=Г, +1 О.Формула изобретения Подставив эти значения в ( 1 0), полу- чим т.е, в счетчике 10 в момент окончаниятретьего такта измерения записано число,прямо пропорциональное измеряемому напряжению,Частота генератора 13 должна бытьтакой, чтобы при заполнении этой частотой счетчика 11 двоичный умножитель 19 успевал бы сформировать одинимпульс между каждыми двумя импульсами с выхода преобразователя 7,т.е. чтобы на входы триггера 21 импульсы поступали поочередно. В схеме двоичного умножителя 19 старшиеразряды счетчика 10 связаны с младшими разрядами счетчика 11 (и наоборот), т.е. последний разряд счетчика 10 связан с первым разрядом счет Очика 11, предпоследний разряд счетчика 10 связан со вторым разрядомсчетчика 11 и т,д, Таким образом,если после второго интервала измерения в счетчике 10 записано такое число, что и в последнем разряде этогосчетчика "1", то при поступлениикаждых двух импульсов на вход счетчика 11 с выхода двоичного умножителя 19 обязательно формируется одинимпульс (действительно, старший разряд счетчика 10 в "1", а триггермладшего разряда счетчика 11 дважды изменит свое состояние, т.е. пройдет обязательно через состояние "1").Если в счетчике 10 такое число, что"1" в последнем разряде этого счетчика нет, а есть "1" в предпоследнем разряде, то аналогично описанномуна каждые четыре импульса на входесчетчика 11 обязательно сформируется 40хотя бы один импульс на выходе двоичного умножителя 19 (так как триггервторого разряда счетчика 11 обязательно изменит дважды свое состояние,т е пройдет через состояние 1 ) 45Кроме того, при использованииустройства в измерительно-информационных системах с обработкой (например, с осреднением) информации упрощается стыковка устройства с вычислительными блоками, так как времяизмерения есть величина постояннаядля предложенного устройства. Известные устройства при этом требуютприменения согласующих блоков, так как момент получения информации определяется измеряемым напряжением. Аналого-цифровой преобразовательс цифровой коррекцией погрешностей,содержащий первый и второй источники эталонного напряжения, источникизмеряемого напряжения, которые черезпервый, второй и третий аналоговыеключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И,выходы первого и второго элементов Исоединены с вычитающим и суммирующимвходами первого счетчика соответственно, выходы первого и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами второго счетчика соответственно, третий счетчик, двоичныйумножитель, входы которого соединеныс выходами первого и третьего счетчиков, генератор, четвертый и пятый элементы И, о т л и ч а ю щ и и с я тем,что, с целью повышения быстродействия и точности преобразования, введены первый и второй триггеры, делитель и сдвигающий регистр, причем шина начальной установки соединена сустановочными входами делителя, сдвигающего регистра, счетчиков и триггеров, а выходы сдвигающего регистрасоединены со вторыми входами аналоговых ключей и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И,а вход - с выходом делителя, входомподключенного к выходу генератора ипервому входу четвертого элемента И,второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - свходом третьего счетчика, выход второго счетчика соединен с единичнымвходом второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятогоэлемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И,при этом единичный вход первого триггера соединен с выходом пятого элемента И, а нулевой вход - с выходомдвоичного умножителя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Р 3633202,кл,340-347,04.02.72.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2610467/21,кл,Н 03 К 13/20,ак филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 377/б 9 ВНИ п 113Тираж 995 ПодписноеПИ государственного комитета СССРделам изобретений и открытий5, Москва, Ж, Раушская наб., д.