Способ аналого-цифрового преобразования

) 4 Н 03 М 1/26 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ НА в о допо игналакоторый сигнала первымм сигнаГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(56) Лаврентьев В. И. и др. Аналогоцифровые преобразователи двустороннего уравновешивания. Киев: Общество "Знание" УССР, 1982.Авторское свидетельство СССР У 1304172, кл. Н 03 М 1/26, (54) СПОСОБ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБ РАЗОВАНИЯ(57) Изобретение относится к области вычислительной цифровой измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые. Цель изобретения- повышение быстродействия аналогоцифрового преобразования - достигается при поразрядном уравновешиваниивходного аналогового сигнала суммойосновного компенсирующего аналогового сигнала поразрядного уравновешивания, соответствующего весам избыточного измерительного кода, и первого дополнительного компенсирующегосигнала той же полярности путем формирования на тактах уравновешивания,которым предшествовало превышение сигнала уравновешивания наданалоговым сигналом, второнительного компенсирующегопротивоположной полярностисуммируется при формированиуравновешивания с основнымдополнительным компенсирующилами. 2 ил.Изобретение относится к вычислительной и цифровой измерительнойтехнике и может быть использованодля преобразования аналоговых величин в цифровые.Цель - повышение быстродействияаналого-цифрового преобразования.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, которое можетбыть использовано для реализацииспособа аналого-цифрового преобразо"вания; на фиг. 2 " временная диаг"рамма компенсирующего сигнала,Аналого-цифровой преобразователь, элементов ИЛИ, управляющий вход 6"Запуск", генератор 7 импульсов,блок 8 постоянной памяти, регистр 9последовательного приближения, группу выходов 10, являющихся первым вы- . 25ходом устройства, и выход 11, являющийся вторым выходом устройства.Изобретение основано на использовании при кодировании входной аналоговой величины избыточных измерительных кодов.Известно, что под динамическойпогрешностью АЦП поразрядного кодирования при изменяющихся во временипараметрах входного А (й;) и ком"пенсирующего А (е;) сигналов понимается разность Ь между ними в мо"3мент времени , соответствующейконцу кодирования без учета статической погрешности и погрешности дискретизации, т.е.(0+, ) А у( )Известно также, что необходимым условием возникновения динамической45 погрешности второго рода Ь 2 являет 3 ся изменение А (С;) за время кодирования Т более чем на величину, например, младшего разряда ц. Необходимым условием возникновения динами" ческой погрешности первого рода Ь50 обусловленной инерционностью узлов АЦП, является уменьшение длительнос" ти такта кодирования 1: меньше предельного значения, равного55е, = ь 1 п 1 Ц,где т, - постоянная времени эквивалентной схемы цепи сравнения;3 " максимальное значение пог"решности установления АИ,)за время Т .,Допустим, что й = О, т.е. А(й;)фА= сопят. Тогда достаточным ус"ловием возникновения Ь будет изменение к моменту определения состояния некоторого, допустим 1-горазряда сигнала А настолько,что нарушится неравенство 8 А (с ) = ве /2:Ем (1) выполнение которого на каждом такте кодирования при использовании способа поразрядного кодирования гарантирует уравновешивание Асигналом Ас погрешностью не более и. При этом в двоичном АЦП, для разрядов которого характерно соотношениеоЯЕЯ;, появление на любом такте:е+ошибок кодирования типов "неправильное включение разряда" (в дальнейшем включение") или "неправильное выключение разряда" (в дальнейшем "выключение") неминуемо приводит к на-рушению неравенства ( Я и появлениюВ АЦП на основе избыточных измежительных кодов (ИИК), для разрядов которого характерно соотношениеиОЕс , Я появление ошибок кодиро;:е,вания типа "включение" (не следующих непосредственно друг за другом) не приводит к нарушению неравенства (1) вследствие автокомпенсации этой ошибки последующими разрядами. Поэтому для осуществления правильного аналого"цифрового лреобразования при наличии погрешностей установления А(Е: ), т.е, прис 1необходимо исключить появление ошибок кодирования типа "включение", В известном способе это реализуется воздействием на процесс уравновешивания дополнительным аналоговым сигналом А(й), формируемым от момента включенйя и до момента определения состояния 1-го разряда. При этом относительное значение А(е) к весу 1-го разряда постоянно на любом такте и равно для случая ве, = 1,68:Независимость 8 А (; ) от характера процесса формиро ания А (й ), т.е.от результатов сравнения входного и компенсирующего аналоговых сигналов, не позволяет максимально использовать избыточность, заложенную в АЦП, для повьппения быстродействия. Так быстродействие известного способа аналого-цифрового (А-Ц) преобразо-10 вания зависит от предельного значения погрешности установления компенсирующего сигнала на каждом такте, которое определяется отсутствием ошибок кодирования типа "включение" и следующих непосредственно друг за другом ошибок кодирования типа "выключение" (в дальнейшем соседних ошибок кодирования). Отметим, что возникновение на любом такте первой из названных ошибок возможно толькопри условии увеличения компенсирующего сигнала на этом такте по сравнению со значением этого сигнала на пРедыдУщем такте, т,е. пРи А(Се)25 А(йе,), что эквивалентно факту невыключения (1-1)-го разряда. Возникновение на любом 1-м такте ошибок кодирования типа "включение" (в том числе и соседних) возможно только при условии уменьшения компенсирующего сигнала на этом такте по сравнению со значением этого сигнала на предыдущем такте, т.е. при Ак(ее)с А(е,), что эквивалентно факту выключения (1-1)"го разряда. В общем случае вероятность возникновения ошибки кодирования типа "включение" можно уменьшить, увеличив А(йе), При этом компенсирующий сигнал, состоящий из суммы дополнительного и основного компенсирующе" го (избыточного набора эталонных сигналов) аналоговых сигналов, увеличится, что уменьшит абсолютную погрешность его установления. Однако в этом случае увеличится и вероятность появления соседних ошибок кодирования типа "выключение". Данное обстоятельство не позволяет увеличивать РА И е) вьппе значения, определяемого из (2), и ограничивает быстродействие А-Ц преобразования на уровне, задаваемом значением 8, равном в этом случае ц = юс , т.е. 23,63.Учитывая изложенное, можно пред положить, что изменение алгоритма формирования дополнительного сигнала. а именно уменьшение А(се) до значения А(Се) на тех тактах, для которых А(г.е)с А(йе,), и увели.чение А(е) до значения А(е) на тех тактах, для которых А(е А(Се), позволит увеличить значение 3 и, следовательно, быстродействие А-Ц преобразования, Докажем это путем рассмотрения процесса формирования компенсирующего сигнала. Пусть на первом такте кодирования присутствует такой А (й, ),.что при длительности такта кодирования, равной минимально возможной, произойдет полная компенсация недоустановления компенсирующего сигнала, т,еАк(Е) - (А (,).,+Я,)8 = С 3 (3) где 8 = 1-3,Учитывая, что значение компенсирующего сигнала, на любом 1-м такте равно:еА (е ) Ак(ее,)о+, а;С,++(,) 8;Ак("е) =А к(е- Л+(А(е) - +Ое)= -Я, 3 +(А,(,)+О,)З Е ф(А, Ое ВЗ (А,(,)+(2 е)Компенсирующий сигнал, описывае" мый данными уравнениями, показан на фиг. 2, Отметим, что с учетом сделанного допущения об отсутствии ошибки кодирования на первом такте для доказательства правильности А - Ц преобразования необходимо показать, что в этом случае при(значении дополнительного сигнала, равного А(1 Е).) при любом входном сигнале не произойдет появления соседних оши" бок кодирования типа "выключение". Последнее будет возможным, если зна" чение компенсирующего сигнала на лю" бом 1-м такте не превысит предельного значения входного сигнала, рав- ного(4) Приравнивая первое слагаемое А к( ) к нулю, т. к. (ы 6)с 1, а также положив, исходя из (4), АкЯр., определим о. Итак." р Я =(А (г ) +О ) е-=е- е или30 1-8Ж = (ЯА ( ) +1)3 8 - 1-ыГ где РА - относительное значение сигнала А (С). Отсюдао о -Ась(йе) .(5)м - Я А(с)Подставим найденное значение 8 в выражение (3), определим А(Е)+ . РА (С),=Ы-оА , (6) причем5 ООФ ЕА (е ) ьл /2, (ба)Вышеприведенные выражения (5), (6), (ба) позволяют по заданному значению 6 А (й) определить остальныепараметр 3 кодирования ( Ь и 3 А(й ). ) 55 цля любого варианта предложенного способа А-Ц преобразования, Отличительной особенностью поспеднего явАбк.пр Ярет, е. А ( ) с А ею. прПри Ащ А выключение (1-). гои 1-го разрядов не может быть скомПенсировано включением младших разрядов, т,к,и,Е- , " Е- ф 1 От:ГнОчевидно, что иные значения Арассматривать нецелесообразно потому,4 то при АА увеличивается вероятность включения Я, а при АА включение 1-го разряда неприводит к неуравновешиванию Асигналом Ак(Т+,). Для доказательства отсутствия на 1-м такте соседней ошиб"ки кодирования типа ":включение" (первая произошла на (1"1)-м такте) пре ООбразуем полученное выражение дляА к(Г о) . Выразим в последнем Ц, че"1 ези просуммируем все остальныеСлагаемые, представляющие убывающуюгеометрическую прогрессию со знаменателем М.Г ( 1. Получим:А к(Е,) =О (ы У) +(А(Е,1)+Я) - 1О.ляется адаптивность, заключающаяся в том, что формирование дополнительного сигнала на каждом 1-м такте осуществляется не только с учетом номера такта, но и в зависимости от входного и погрешностей установления компенсирующего сигнала, т.е. от результатов сравнения входного и компенсирующего сигналов на предыдущих (1,2(1-1)-м) тактах. Отме" тим универсальность предложенного адаптивного способа А-Ц преобразования. Так, при РА(Т)= О"./2 получимАф2= фс что совпадает с параметрами известного способа А-Ц преобразования.при оь = 1,618,Работа устройства происходит следующим образом.Начинается цикл А-Ц поразрядного кодирования после прихода сигнала "Запуск", При этом на выходе регистра 9 устанавливается в единичное состояние старший первый разряд (ос- . тальные разряды имеют нулевое значение) и на выходе блока 8 устанавливается кодовая комбинация К полученная на основании выражения (6) и записанная в блок 8 на этапе изготовления. Через блок 5 логических элементов ИЛИ коды выходов регистра 9 и блока 8 поступают на вход ЦАП 3, на выходе которого при этом появляется компенсирующий аналоговый сигнал, соответствующий сумме основного компенсирующего и дополнительного аналоговых сигналов и имеющий значение, равное к концу первого такта А к(,). Сигнал А( ) сравнивается с входным сигналом при помощи блока 2, выходной сигнал У которого подчиняется следующему соотношению:АвхАк(г ; Е О,11 Аьх Ак(Каждый результат сравнения А и Ак(;) фиксируется в блоке 2 по заднему фронту импульса, поступающему от генератора 7 (по переднему фронтуэтого же импульса происходит модифи" кация содержимого счетчика 4 и ре- гистра 9).На втором такте кодирования с приходом импульса от генератора 7 на выходе регистра 9 устанавливается в единичное состояние следующий второй разряд, Состояние первого раэ1388985 7ряда при этом зависит от У,: если У, 1, то первый разряд остается вклю" ченным, если У, щ 0 - выключается.Аналогично от результата сравнения, полученного на предыдущем такте (в данном случае У,) зависит и кодовая комбинация на адресных входах блока 8, младшие ш разрядов которой(ш 1 оя .и) задаются счетчиком 4 и 10 определяют номер такта кодирования, а старший ш-й разряд является выходом блока 2 и определяет относительное значение дополнительного сигнала: РА (г., )+ или о А (е; ) . В этом случае пр 3 У, =0 на выходе блока 8 устанавливается кодовая комбинация, синтезированная на этапе изготовления с учетом выбранного значения 8 А (С; ) .и соотношения (ба), а при 7,=1 ".20 кодовая комбинация; синтезированная из выражения (6).1Работа устройства на любом 1-м такте происходит аналогично и заканчивается на (и+1)-м такте поразряд ного кодирования. При этом сигнал .Ауравновешен компенсирующим сигналом ЦАП 3 с точностью до единицы младшего п-го.разряда, на первом выходе 10 устройства находятся вы ходной код, являющийся цифровым эквивалентом А , а на втором выходе 11 устройства присутствует сигнал окончания преобразования. на каждом д"м такте формируют сигнал уравновешивания, равный сумме основного компенсирующего сигнала поразрядного уравновешивания и первого дополнительного компенсирующего сигнала той же полярности, и осуществляют сравнение входного аналогового сигнала с сигналом уравновешивания, по результатам сравнения на всех тактах осуществляют формирование выходного кода, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, по результатуЭо сравнения на -м такте входного аналогового сигнала с сигналом урав" новешивания в случае превышения сиг" нала уравновешивания над входным аналоговым сигналом осуществляют на (+1)-м такте до формирования сигнала уравновешивания формирование второго дополнительного компенсиру" ющего сигнала противоположной первому полярности, который при формировании сигнала уравновешивания суммируют с основным и первым дополнительным компенсирующими сигналами данного такта, при этом величину первого дополнительного компенсирующего сигнала выбирают равной: А, (1) = Я;(о /2 + К),а величину второго дополнительногокомпенсирующего сигнала равной35Формула изобретения Способ аналого"цифрового преобразования, основанный на поразрядном уравновешивании входного аналогового 49 сигнала, заключающийся в том, что А д) Я; 2 К,где М - основание избыточного измерительного кода;Я; - вес -го разряда кода;О с Кс /2