Аналого-цифровой преобразователь

уВ ьй6 М( икеетиизоб Устр мато анал ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ИОАНИЕ И н двторснбму сви(71) Уральский политехнический иститут им. С.М.Кирова(56) Авторское свидетельство ССКф 287422 кл. Н 03 М 1/56, 196Патент Италии У 699271,кл. Н 03 К 13/20, опублик. 1967(57) Изобретение относится к автомаи вычислительной технике и моыть использовано в спектрометонизирующих излучений. Цель етения " повышение точности. йство содержит аналоговый сум, компаратор 2, аттенюатор 3, говое запоминающее е устройство 4, аналоговый коммутатор 5, генератор 6 чисел разравнивания, цифроаналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 1 О, регистр 11 последовательного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распреде - литель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе 13, двух резисторах 14 15 и четырех ключах 16 -16 . ВвеФ1дение аналогового 5 и цифрового 10 коммутаторов, аттенюатора 3 и источника 8 опорного напряжения позволило повысить точность преобразования за счет уменьшения случайной составляющей погрешности преобразования при использовании метода статистического разравнивания, 1 з.в. ф-лы, 2 илИзобретение относится к антоматике и вычислительной технике и можетбыть использовано в спектрометрииионизирующих излучений.Цель изобретения - повышение точности.На Фиг. 1 представлена Функциональная схема устройства, на фиг.2 -временные диаграммы, поясняющие 10функционирование распределителя импульсов.Устройство (Фиг. 1) содержит аналоговый сумматор 1, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающееустройство 4, аналоговый коммутатор5, генератор 6 чисел разравнивания,цифроаналоговый преобразовательисточник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распределитель 12импульсов. Аналоговый коммутатор 5выполнен на операционном усилителе13, двух резисторах 14 и 15 и четырех 25ключах 16,В основу аналого-циФрового преобразования положен принцип аналогоцифрового преобразования суммы измеряемого сигнала 7 и сигнала разравнинания Ц (7+Ц, ) по методу последонательных приближений, в результатечего Формируется код И указанной сумьи. Из полученного кода И вычитаетсякад числа разран.финания М, причемзначение числа разравнивания н каждом 35цикле преобразования задается по слу"чайному закону, т.е. используетсяметод статистического разравниваниядля повышения достоверности реэультата преобразования.40Устройство работает следующим образом.В начале цикла преобразования докоманды "Пуск", поступающей на входраспределителя 12 импульсон (Фиг. 2), 5аналоговое запоминающее устройство4 находится н режиме выборки. В аналоговом коммутаторе 5 ключи 16 , 161 Ри 16, замкнуты, а ключ 16 разомкнут.С выхода цифроаналогового преабразонателя 7 через замкнутый ключ 16,операционный усилитель 13, н цепиотрицательной обратной связи которого находятся последовательно вклю"ченные замкнутый ключ 16 и резистор 55415, а также через аттенюатор 3 напервый вход аналогового сумматора 1подается сигнал раэравниваниясоответствующий числу раэравнивания С . Входной преобразуемый сигнал Ч поступает на второй вход аналого" 1ваго сумматора 1, с ныхода которого сумма сигнала Ч; и сигнала разравнивания Ц;поступает на вход аналогового запоминающего устройства 4. На ныходах генератора 6 чисел раэравнивания установлен код Ичисла разравнивания С. Генератор 6 чисел раэравнивания имеет ш разрядов, причем ш си, где и - число разрядов аналого-цифроного преобразователя. Эти ш разрядов кода разраннивания с помощью цифрового коммутатора 10 подключены к старшим разрядам цифроаналогового преобразователя 7, на младшие разряды которого подаются уровни "0", Таким образом осуществляется цифровое умножение на 2" числа разравнивания. Для этого, чтобы скам. пенсировать усиление сигнала разравнивания используется аттенюатор 3, коэффициент передачи которого К = 1 2 м.гсС приходом команды "Пуск" ( Фиг.2 а) сигналом с первого выхода распределителя 12 импульсов (Фиг. 2 б) сумма сигналов Ч +Я запоминается в аналогоном запоминающем устройстве 4 на время преобразования. При этом циф" раной коммутатор 10 по сигналу управления с четвертого ныхода распреде" лителя 12 Ь)иг. 2 д) подключает выходы регистра 11 последовательных приближений к информационным входам цифроаналогового преобразователя 7, а в аналоговом коммутаторе 5 по ко" маиде с пятого выхода распределителя 12 импульсов (фиг, 2 е) ключ 16 . размыкается, а ключ 16, замыкается. Таким образом, цифроаналоговый преобразователь 7 на время преобразования управляется от регистра 11 последовательного приближения, а ега выходной так при помощи кампаратора 2 сравнивается с током, поступающим через резистор 14 и замкнутый ключ 16 от аналогового запоминающего устройства 4 на второй вход компаратара 2,. При этом осуществляется аналого-цифровое преобразование суммы сигналов Ч +Р; па методу последдавательных приближений. На информационный вход регистра 11 последовательных приближений поступают сигналы с выхода компаратора 2, а на его тактовый вход с шестого выхода распределителя 12 импульсов (Фиг, 2 ж) поступают тактовые импульсы.По окончании преобразования навыходах ре. истра 11 последовательного приближения формируется код Исуммы Ч;+Ц . В цифровом сумматоре 95из кода И вычитается код Ичисларазравнивания, полученный результат,пропорциональный входному преобразу"емому сигналу Ч;, с выхода цифрового сумматора 9 по команде с третьеговыхода распределителя импульсов(фиг. 2 г) выдается на выходную шинуустройства. По сигналу с второговыхода распределителя 12 импульсов(фиг. 2 в) в генераторе б чисел разравнивания формируется очередноезначение кода разравнивания и с приходом следующей команды 11 Пуск 1 устройство начинает очередной цикл,преобразования,20Одним из основных точностных параметров АЦП, предназначенных дляиспользования в спектрометрии ионизирующих излучений, являются дифференциальная нелинейность и относительное амплитудное разрешение. Более полно, чем относительное амплитудное разрешение, шумовые характеристики АЦП отражает профиль квантаР(х,Ч), который определяется какфункция вероятности того, что сигналамплитуды Ч преобразуется в код ,Профиль кванта идеального АЦП - прямоугольный с шириной, равной ширинекванта. В реальных АЦП действиепогрешностей преобразования приводит 35к искажениям профиля кванта, которыевыражаются в сглаживании формы профиля кванта, в расширении его границболее чем на величину одного кванта,Статистическое разравнивание величины квантов является эффективным средством улучшения дифференциальной нелинейности, При прямоугольной весовой функции разравнивания эффективный профиль -го кванта в АЦП со статистическим разравниванием можетбыть представлен выражением=огде И - число квантов, на котороеосуществляется разравнивание,Однако сам процесс статистическо" го раэравнивания приводит к увеличению случайной составляющей погрешности преобразования, обусловленному помимо исходной дифференциальной нелинейности АПД (АЦП без разравнивания) дифференциальной нелинейностью схемы разравнивания, а также неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразованияи раэравнивания.Под повышением точности в данном случае понимают уменьшение случайной составляющей погрешности преобразования или увеличение коэффициента качества профиля кванта,Случайная составляющая погрешности преобразования может быть вызвана неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и разравнивания и дифференциальной нелинейностью шкалы раэравнивания. Согласование масштабов шкал означает равенство средних величин квантов АЦП без разравнивания Ь и квантов разравнивания Ь.Допустим, что шумы АЦП беэ разравнивания отсутствуют, т.е. профиль кванта АЦП без разравнивания прямоугольный:(2)1 1, при Ч,(Ч Ч;ф 9 при ЧЧ и ЧъЧ., (3) где Ч, и 17 - -я и 1-я границы1квантования АЦП без разравнивания, выраженные в единицах входного сигнала,Тогда выражение (1) для АЦП с раэравниванием принимает вид гдеП(+ Ч+Я. )сс1+1 .1 1+1 11ф 1 1.0 при Ч )Ч+Ц и Ч+Ч;,.1(+-я и (х+,)+1)-яграницы квантованияАЦП без разравнивания, выраженные вединицах входногосигнала.Обозначим через К Ь=Ь -Ь разность средних значений величин квантов АЦП беэ разравнивания и шкалы разравнивания. Если пренебречь смещением начальной точки характеристики преобразования, то ошибки положения соответствующих границ квачтования АБД без разравнивания, вх;дящих в выражение (5), запишутся в виде(7) ЬЯ =Ц -31 г =Ц -(1 г -ь 1 г), э та Подставим выражения в (5): 5- (+,)+1)1 г т(. + ) 1 при тт 1+(1 ) )тгабЧ+Д (1 го гтгг)гЧн (г1)1 га 0 при всех других Ч (10) 1 при ь Ч, +Ж + 61 г- Я ЧьЧ + ( +1 ) 1 г +,) гг 1 г- ьЦ0 при всех других Ч 15 0 при всех Ч+Я 2 В 11 +В 11(13) Номинальное значение К равно 2" ттПри использовании прецизионных резисторов, погрешность К не более +0,017. Аналогично, ггри В,=ВБ погрешность этих резисторов дает сумлИз выражений (4) и (10) видно, что для увеличения коэФФициента качества проФиля кванта АЦП с раэравниванием необходимо в правой части выражения (10) уменьшать слагаемые, содержащие У в виде индекса или соПокажем, что в устройстве не требуется настройки для согласованиямасштабов шкал аналого-циФровогоггреобразования и разравнивания,Дляпреобразования и разравнивания используется один и тот же ЦАП 7,Согласование масштабов шкал означает, что коэФФициент передачисигнала ЦАП 7 через аналоговый коммутатор 5 на первый вход компаратора 2 должен бггть в 2раз больше,чем коэффгггтнент передачи сигналаф 11 7 тг ввез ан;г тгот овый коммутатораттенюатор 3 аналоговыйтор 1, АЗУ 4 и аналоговый когщутаторНа Втпгтпй ВХОп КОМПаватбраИгг 1 7 предо.,авим источником напряжения 11(М) при подаче на его входыкода М от регистра 11 послегговательного приближения или 11(С 2 упри40подаче на его входы кода Б от генератора 6 чисел разравнивания. Выходное сопротивление этого источниканапряжения обозначим ВЧАПКомпаратор 2 сравнивает токь где В -В - сопротивления замкнутыхтЬ, гтг 1 ключей 16;К и К - коэФФициенты передачиАти ллАЗУ 4 и аналогового сумматораПримем К =1 и К 1, что практкАЗЧАсчески легко осуществить с высокой точностью. Тогда 13 принимает вид множителя. Допустим, что в АЦП с разравниванием нет источников случайной составляющей погрешности преобразования кроме рассогласованиямасштабов шкал А 1 г. Тогда 10 принимает вида 1 г Ч ( т+ 1 ) гт +1 л 1 г ю(11)других Ч,В конце преобразования должно выполнягься условие 1 =1 . При И= и =0, т,е. Ц,.=О, подставим (12) и . (14) в (15): где 11 - шаг квантования ЦАП,ой= - -(В, +В )К, (18)11(С 2 )ЦАП 1 бгде К - коэФФициент передачи аттенюатора,Тогда1378061 Следовательно, из-за рассогласования масштабон шКал в предлагаемом устройстве при отсутствии остальных источников погрешностей профиль 5кванта имеет форму равнобедреннойтрапеции нижнее и нерхнее основание которой равны 1,3 Ь и 0,7а высота равна 1, Коэффициент качества профиля кванта К =0,925, При таких параметрах профиля кванта нетребуется настройки для согласования масштабов шкал преобраэонания иразраннивания.Рассмотрим влияние слагаемогоАЯвыражения ( 10) на случайную составляющую погрешности преобразования. Это слагаемое отражает влияниедифференциальной нелинейности шкалыразравнинания. Допустим, что н АЦПотсутствуют все остальные источникипогрешностей кроме ошибки сигналаразравнинания ь И В этом случае выражение (10) принимает нид Г1-1( + + ) при 3.Й( - 6 Я( Ъ (1,+1 )11 с - Д 1(22)0 при всех остальных значениях 7 марный вклад в погрешностьд Ь неболее . 0,01%, Разброс сопротивленийоткрытых ключей микросхем 590 КН 2 и590 КН 7 составляет не более 0,25 Ом.При В В -В ,кОм и В Вб В1 б=50 Ом разброс сопротивлений откры"тых ключей дает суммарный вклад в 0 25 погрешностью Ь не более " -- -100%1000+50 40,095%, Следовательно суммарная погрешность ь Ь от действия всех источников погрешности, входящих в выражение (20), составляет не более 0,115%. Отсюда максимальное значение 1 случайной состанляющей погрешности преобразования, вызванной рассогласованиемл й масштабов шкал аналогоцифрового преобразования, при И=255 составляет 1=М д Ь= - - --Ь 0,3 й, (21)255 0 115%о сф где ь Ц - значения погрешности напряжения раэравнивания;д. - разрядные цифры в двоичнойкзаписи числа С , принимаютзначение 0 и 1. (п-ш), (23) где д (и-ш) - напряжение, соответствующее разряду с номером К(п-ш) ЦАП 7; Тогда погрешность й Я можно выра 4вить через погрешности напряженийразрядов ЦАП: ай = ",с 1 Р, (п-ш), (24)К:1 Обычно у ЦАП суммарная погрешность не превышает единицы младшего разряда П, поэтому можно принять 1 отомю 1l, икаБ(л-и)(25)тогда из (24) получаемг 11ю 1 р 4 (26)1 мокс 2 30 35 40 45 50 так как коэффициент г, введенный в (23), близок к единице и 11,=Е, Таким образом, дифференциальйая нелинейность шкалы разраннивания предлагаемого устройства примерно в 2" " раз меньше, чем у прототипа. Если в прототипе и предлагаемом устройстве использовать ЦАП с дифференциальной нелинейностью + единица младшего разряда, то из выражений (22) и (2 б) видно, что профиль кванта за счет дифференциальной нелинейности шкалы разраннинания у прототипа имеет н основании 3 1, а в данном устройстве для М=255 и п=12 1. (1+2 (2" п)=1 а 1 Максимальное значение случайной составляющей погрешности преобразования составляет соответственно 1 , и 1/1 б Ь . Таким образом цифровое умножение числа разравнивания на 2" и последующее ослабление напряжения разраннинания увеличивает точность и предлагаемом устройстве, Кроме того при этом уменьшается вклад собственных шумов ЦАП в шумы сигнала разраннинания, что также увеличивает точ ность АПП. Формула изобретения 1, Аналого-цифровой преобраэонатель, содержащий компаратор, цифро 1378061аналоговый преобразователь, аналоговый сумматор, выход которого соеди,нен с информационным входом аналогово го запоминающего устройства, регистр последовательного приближения, выходы5 которого соединены с соответствующими первыми информационными входами цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, а вторые информационные входы соединены с соответствующими выходами генератора чисел разравнивания, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повы" щения точности, в него введены источ ник опорного напряжения, аналоговый коммутатор, аттенюатор, цифровой коммутатор и распределитель импульсов, вход которого является входной шиной "Пуск", первый выход соединен с входом управления аналогового запоминающего устройства, выход которого подключен к первому информационному входу аналогового коммутатора, а второй информационный вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а информационные входы соединены с соответствующими выходами цифрового коммутатора, первые и вторые информационные входы которого соответственно соединены с соответствующими выходами регистра последовательного приближения и генератора чисел раз равнивания, вход управления которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с управляющими входами соот ветственно цифрового сумматора, цифрового коммутатора и аналогового коммутатора первый и второй выходы которого соединены соответственно спервым и вторым входами компаратора,третий выход через аттенюатор соединен с первым входом аналогового сум"матора, второй вход которого является входной информационной шиной, шестой выход распределителя импульсовподключен к тактовому входу регистрапоследовательного приближения, информационный вход которого подключенк выходу компаратора. 2. 11 реобразователь по и. 1, ,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что аналоговый коммутатор выполнен на четырех ключах, двух токоограничивающих элементах, выполненных на резисторах, и операционном усилителе; выход которого является третьим выходом аналогового коммутатора и через последовательно соединенные первый резис-, тор и первый ключ подключен к входу операционного усилителя и к выходу второго ключа, информационный вход которого объединен с информационным входом третьего ключа и является вторым информационным входом аналогового коммутатора, управляющий вход второго ключа объединен с управляющим входом третьего ключа и является управляющим входом аналогового коммутатора, выход третьего ключа является первым выходом ачалогового коммутатора, первый вывод второго резистора является первым информа. - ционным входом аналогового коммутатора, второй вывод соединен с инфор" мационным входом четвертого ключа, выход которого является вторым выходом аналогового коммутатора, управляющие входы первого и четвертого ключей объединены и подключены к шине логической единицы.1378061 едактор Т.Лазаренк Заказ 891/5 Тираж 928ВНИИПИ Государственного комитет по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Я, Раушская на ПодпиСССР 5 Производственно-полиграйическое предприятие Проектная, ч ор Составитель И.КапитановТехред И. Попович Корректор О.Кравцова