Устройство аналого-цифрового преобразования

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 19) 03 М 1/10 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСК(57) Изо измерите ОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРВАНИЯ троится к элек и может быт етение отн ной техник ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(56) Шляндин В М. Цифровые измерительные устройства. - М,: Высшая школа,1981 с166 рис, 2.2,Грешищев Ю.М., Гудинов А,Г, АЦП,БИТ/13,5 МГц для кодирования телевизионных сигналов. Проблемы созданияпреобразователей формы информации.Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума. - Киев: Наукова думка, 1984,с. 116-119. использовано при построении точкыхбыстродействующих аналого-цифровых.преобразователей, В устройство, содержащее АПП, 1, регистр 2 памяти,. АЛУЗ,выходной регистр 4, элемент 5 задержки, усилитель 6 разности, Щ 1 ,ЦАП 8, ПЗУ 9, блок 10 управления с.целью повышения точности и быстродействия введены цифровой сумматор 11,ОЗУ 12, переключатель 13,.элементИЛИ 14 и блок 15 формирования образцовых сигналов, Повышение точностидостигается коррекцией дополнительнойпогрешности преобразования с введением поправки в цифровом виде, периоддискретизации сокращается благодаряисключению ряда узлов, следовательно,и задержек, вносимых ими в процессепреобразования, Функциональные возможности расширяются за счет введения узлов, обеспечивающих режим са"мокоррекции устройства, 2 з,п, ф-лы,2 ил., 2 табл.Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть использовано для востроения быстроДействуюш 3 лх аналого-цифровых преоб 5разователей (АЦП) повышенной точностиаЦель изобретения - повышение точ"ности и увеличение бытстродействия.На фиг. 1 приведена Функциональная схемг. устройства аналого-цифрового преобразования; на Фиг 2 -Функциональная схема Ярифметико-логического устройства (АЛУ),Устройство аналого"цифрового преобразования содержит АЦПср 1 и старшихразрядов, регистр 2 памяти, АПУЗ;Выходной И-разрядный регистр 4, элемгнт 5 задержки, усилитель б разности АЦП 7 мг)ЯД 555 их разрядов, цифроЯналогавьпл преобразователь 8 (ЦАП),постоянное заг)оминающее устройство 9(ПЗУ 5 т, блОкО уп 1)авлениЯ циф 1)ОВОЙсумматор 11, оперативное запоминаюшее устройство 12 (ОЗУ), переключатель 13, элемент ИЛИ 14, блок 15 ФормирОВЯния Обра 3 тцОЗЫК сигнЯлОВвыга ттненньпй НЯ узле 1 б э ЯДЯния ркжимо)3.блок т 7 и источник 18 Опо)ного няпр 51".е щлч 30УЗЕЛ 16 ЗЯДЯНИЯ РЕЖТаЛМОВ ВЫПОЛНЕН.5.Я .,:ервом 19, Втором 20, и третьемПЕРЕКЛЮЧЯТЕЛ 5 ТХ,Блок 17 Выполнен на элементе ИЛИ22, счетчике 23 импульсо 53, элементеИ 24, триггере 25 и . енераторе 26КИУЛЬСОВ.Блок 1 О управления состоит иэтрех последовательно соединенныхэлементог 3 задержки, аьходы которых 0-;: вход ггервого из них через ФормироВатели импульсов подключены к Выходам устройства 10 управления.АЛУ 3 выполнено на элементе ИЛИ 27,эгтементе И 28 и цифровом сумматореВычитателе 29,Устройство работает в режиме коррекции нег 5 инеиности характеристикиквантования и в режтиме непосрецственного преобразования Входного сигнала50В первом режиме участвуют всеузлы устройства. Во-.втором - все, заисключением блока 15 Формирования образцовых сигналов, причем перекг 5 ючатель 13 устанавливается в положение И,,)пг 5 и котором О подается на Вход АЦП 1,с"згнал 5 а 5 Запись и Внутр а запускс генератора 26 импульсов не ФОрмируТются а с помощью сигнала Обнуление" обнуляется содержимое ячеек ОЗУ12.Рассмотрим работу устройства в режиме непосредственного преобразования входного сигнала на конкретномпримере. Допустим, что число разрядоввсего устройства, включая знаковыйразряд, Х = 11, число разрядов АЦП 1и = 4, АЦП,тт 7 Н - и + ш = 8(ш = 1,где ш - число разрядов коррекции,см. известное устройство), а диапазон О = (-1,024 В) - (+1,024 В). Также, как и в известном устройстве,здесь в качестве узла 8 используется"грубый" быстродействующий интегральный ЦАП (к примеру 1118 ПА 1). Инструментальная погрешность такого ЦАПзначительна и в несколько раз превышает требования, предъявляемые к узлу8 в составе устройства аналого-цифрового преобразования,Допустим, что значения разрядныхуровней ЦАП 8 с учетом их инструментальных погрешностей равны: У,= 1283 = 125 мВ; О = 256 + 2 = 258 мВ;- 512 - 4 = 508 мВ; 0 = -1024 ++ 4 = -1020 мВ, значения всех остальных уровней ЦАП 8 определяются линейной комбинацией разрядных уровней(смещение нуля усилителя б разностисчитаем равным нулю).На этапе изготовления и настройки устройства, как и известного устройства, инструментальные погрешности ПАП 8, присущие каждому выходному уровню, определяются экспериментально при нормальных условиях изаписываются в цифровой Форме с учетом знака в ячейки ПЗУ 9. Адресомкаждой ячейки ПЗУ 9 является соответствующий код АЦП, 1 (табл. 1 составлена для положйтельного входногосигнала У). Пусть = 640 мВ. После стробирования АЦП, 1 сформируется код +101, который преобразуется с помощью ЦАП 8срв компенсирующее напряжение, равное и + о, = 125 + 508 = 633 мВ. РазноКТ Остный сигнал О- О = 640 - 633 = = 7 мВ, установившийся на выходе усилителя 6 разности, после стробирования АЦП 7 преобразуется в код +0000111 (+7 мВ). По коду +101 из ячейки ПЗУ 9 с этим адресом производится выборка кода основной погрешности (см. табл. 1), равного - 111 (-7 мВ), который складывается в ци3 1398093 афровом сумматоре 11 с кодом АЦП р положение К. После этого с выхода7; -111 + 0000111 = +000000. При этом блока 15 формирования образцовыхвыходной код всего устройства соот- сигналов на вход АЦПС 1 поступаветствует входному сигналу 640 мВ, ет ступенчатое напряжение (значеният.е, +101000000,5образцовых уровней напряжения выбиОднако, при работе устройства раются равными значениям уровней(и известного устройства) в реальных "идеального" ЦАП 8, а их количествоусловиях (отличных от нормальных) зависит от вида корректируемой погпоявляется дополнительная составляю" 10 решности и задается конструкциейщая инструментальной погрешности блока 17 например, для коррекцииЦАП 8 и усилителя 6 разности. Поэ- погрешности смещения нуля устройсттому коррекция с помощью ПЗУ 9 теря- ва необходимо всего лишь одно образет эффективность, т,е, не полная цовое напряжение, равное нулю, длякомпенсация погрешности и в резуль- . 15 коррекции дифференциальной нелинейтате значительно (в несколько раз) ности - большее количество уровней).возрастает общая погрешность анало- Установка очередного уровня образ"го-цифрового преобразования, цового напряжения сопровождается раДля коррекции дополнительной сос- зовым запуском устройства аналоготавляющей инструментальной погреш цифрового преобразования (сигналности в устройство введено ОЗУ 12, "Внутр. запуск"), формированием кодав ячейки которого в режиме коррек- на выходе цифрового сумматора 11, чиции нелинейности характеристики кван- сленно равного значению дополнительтования заносятся коды этой погреш- ной погрешности, и записью его (сигности. В рамках условий рассмотрен нал "запись") в ячейку ОЗУ 12, адресного выше примера можно допустить, которой соответствует коду АЦПР 1что разрядные уровни ЦАП 8 Ок, Ок ; в данном такте коррекции. При постуи О при наличии дополнитель- плении сигнала Конец преобр." счеткъ Иной погрешности изменились и стали вертого выхода блока 10 управленияравны: 0 = 125 - 2 = 123 мВ; Ок = ЗО разрешается установление следующего258 - 4 = 254 мВ; О = 508 - 8 - уровня образцового напряжения. После- 500 мВ М = -1020 + 16 = -1004 мВ Формирования последнего образцовогоф кд(изменение исходного значения смещения напряжения происходит остановка рануля усилителя 6 разности положим боты блока 15.равным нулю). В ячейках ОЗУ 12 при Г р и м е р , Считаем, что на вход35этом должны храниться коды дополни- устройства подано не входное, а -еотельной погрешности в соответствии значение образцового напряжения О, =с табл, 2, = 640 мВ, тогда в условиях влиянияПри преобразовании входного сиг- дополнительной погрешности на выходенала= 640 мВ получаются соответ цифрового сумматора 11 получим код,ственно коды: АЦП 1: +101 АЦП равный сумме кодов АЦП,р 7, ПЗУ 9срэ мр7: +0010001 (соответствующие разност- и ОЗУ 12 (код ОЗУ 12 равен нулю, такному сигналу О -( У + М ) = 640 - как предварительно дно обнуляется),к к , кз-1010 (табл, 2), После сложения ко- знаком дополнительной погрешностидов АЦП 7 ПЗУ 9 и ОЗУ 12 в цифро мВ ( табл. 2), инверсию знака ковом сумматоре 11 получим код млад- да +1010 погрешности можно произвоших разрядов +00.10001-111-1010 = дить, например, при выполнении опера= +0000000 а полный код аналого-ци- ции сложения в рабочем режиме илиФ 50фрового преобразования при этом ра-. . непосредственно при записи кода ввен +1010000000, что соответствует ОЗУ 12. Затем полученный код погрешц = 640 мВ, ности (+1011) записывается в ячейкукОпределение и запись в ячейки ОЗУ 12 с адресом +101, что соответОЗУ 12 кодов дополнительной погреш- ствует коду АЦП р 1.55ности производятся в режиме коррек- Блок 15 формирования, образцовыхции нелинейности характеристики кван- сигналов работает следующим образом.тования, В этот режим устройство пере- Переключатели 19-21 в узле 16 заводится установкой переключателя 13 в дания режимов устанавливаются в ис10 формула изобретения Б 139хоцное положение. При переходе в режим коррекции переключатель 20 переводится в противоположное положение,при этом прекращается процесс обнуления ОЗУ 12 и через элемент И 24триггер 25 устанавливается в единич -ное состояние. При этом дублируетсясигнал запрета на первом управляющемгенераторе 26 импульсов. Далее одновременно с переключателеи 13 переключается переключатель 19, тем самымобеспечивается обнуление двоичногосчетчика 23 и подается сигнал разрешения (логический "0") на первый входэлемента ИЛИ 22 и второй управляющийвход генератора 26 в блоке 17. Навыходе блока 15 устанавливается первое значение уровня образцового напряжения О После такой подготовкиблок 15 Формирования образцовых сигналов готов к. работе,При нажатии переключателя 2 1 триггер 25 запускает генератор 26, которьп обеспечивает периодический запускустройства аналого-цифрового преобра"зования. В каждом такте коррекциисигналом "Конец преобразования" с четвертого выхода блока 10 через элементИЛИ 22 производится запись кода до".полнительной погрешности (кода АЦП,7) в ОЗУ 12, а. затеи изменяется состояние двоичного счетчика 23 на единицу и устанавливается следующее значение образцового уровня Ц,ф, Формиру"емое источником 18 опорных напряжений, Сигнал переполнения счетчика 23через элемент И 24 переводит триггер25 в единичное состояние, останавливая теи самым генератор 26. На этомзаканчивается процесс коррекции ипосле перевода переключателей 13и 19 в исходное состояние устройствоаналого-цифрового преобразования готово к работе в реальных условиях.Возможны другие варианты построенияблока 17, обеспечивающего иные алгоритмы получения образцовых напряжеоний У; .Предлагаемое устройство выгодноотличается от известного устройствапо точности. Известное устройствообеспечивает преобразования входногосигнала с заданной точностью лишьв рамках тех условий, при которыхинструментальные погрешности ЦАП 8и усилителя 6 разности постоянныкак правило, нормальные или лабораторные условия) . Предлагаемое уст 8093бройство обеспечивает заданную точность при любых условиях окружающейсреды, так как имеется возможностьподстраиваться к их изменениям. Этопреимущество проявляется тем сильнее, чем больше число разрядов аналого-цифрового преобразования. 1. Устройство аналого"цифровогопреобразования, содержащее аналогоцифровой преобразователь и старших 15 разрядов, информационный вход которого объединен с входом элемента задержки, а управляющий вход соединен.с первым выходом блока управления,- второй выход которого подключен к 20 управляющему входу регистра памяти,выходы которого соединены с соответствующими входами первой группы входов арифметико-логического устройства, а информационные входы объеди иены с соответствующими входами циФроаналогового преобразователя, постоянного запоминающего устройстваи подключены к соответствующим выходам аналого- цифрового преобразователя Зо и старших разрядов, выход элементазадержки соединен с первым входомусилителя разности, выход которогосоединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя млад- " 35щих разрядов, управляющий, вход которого подключен к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с управляющим входомЯ-разрядного выходного регистра, 40 входы старших и разрядов которогоподключены к соответствующим выходамарифметико-логического устройства,а выходы являются выходными шинами,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 45 с целью повышения точности и увеличения быстродействия, в него введеныцифровой сумматор, оперативное запоминающее устройство, переключатель,элемент ИЛИ и блок формирования образцовых сигналов, первый выход которого соединен с первым информационным входом переключателя, второй инФормационный вход которого является входной шиной, а управляющий входобъединен с первым входом блока фор Бмирования образцовых сигналов и является первой управляющей шиной, вхо ды обнуления и записи оперативногозапоминающего устройства подключены7 1398093соответственно к второму и третьему выход источника опорного напряжения,выходам блока формирования образцо- входы которого соединены с соответвых сигналов, второй и третий входы - ствующими информационными выходамикоторого являются соответственно вто- счетчика импульсов, вход обнуления5рой и третьей управляющими шинами, которого объединен с первым управа четвертый вход соединен с четвер- ляющим входом генератора импульсов,тым выходом блока управления, вход первым входом элемента ИЛИ и подкоторого подключен к выходу элемен- ключен к выходу первого переключата ИЛИ, первый вход которого соеди О теля, первый и второй входы которогонен с четвертым выходом блока форми- объединены соответственно с первымирования образцовых сигналов, а вто- и вторыми входами второго и третьегорой вход яВляется шиной "Внешний за- переключателей и являются соответпуск", входы И - и младших разрядов ственно шинами логического нуля ивыходного Я-разрядного регистра объе единицы, выход второго ключа соедидинены с первыми информационными нен с первым входом элемента И и яввходами оперативного запоминающего ляется вторым выходом блока, третьимустройства и подключены к соответ- выходом которого является выход элествующим Н-и выходам младших разря- мента ИЛИ, второй вход которого объдов цифрового сумматора, ш входов 2 О единен со счетным входом счетчикавторой группы входов арифметико-логи- импульсов и является четвертым вхоческого устройства объединены с соот- дом блока, выход переполнения счетчиветствующими вторыми информационны- ка импульсов соединей с вторым вхоми входами оперативного запоминающе- дом элемента И, выход которого под 111г о устройства. и подключены к соответ ключен к входу установки в 1 тригствующим выходам ш старших разрядов гера, прямой выход которого соедицифрового сумматора, первые И-и+ш нен с вторым управляющим входом генеПИвходов которого подключены к соответ- ратора, а вход установки в 0 подствующим выходам аналого-цифрового ключен к выходу третьего переключатепреобразователя младших разрядов, ЗО ля, выход генератора является четвервторые входы соединены с соответству- тым выходом блока,ющими выходами постоянного эапоминаю. Устройство по п. 1, о т л ищего устройства, а третьи входы под- ч а ю щ е е с я тем, что арифметикоключены к соответствующим выходам логическое устройство выполнено наоперативного запоминающего устройства,элементе И, элементе ИЛИ и цифровомадресные входы которого подключены к сумматоре-вычитателе, первые инфорсоответствующим выходам аналого-ци- мационные входы которого являютсяфрового преобразователя и старших соответствующими входами первой групразрядов, второй вход усилителя раз" пы входов арифметико-логического устности соединен с выходом цифроанало О ройства, вход первого разряда вторгового преобразователя, выход пере- информационных входов цифрового сумключателя соединен с входом линии матора-вычитателя объединен с первымвходом элемента ИЛИ и является первым2. Устройство по п. 1, о т л и входом второй группы входов арифметич а ю щ е е с я тем, что блок форми ко-логического устройства, вход вторования образцовых сигналов выполнен рого разряда вторых информационныхна источнике опорного напряжения,. входов цифрового сумматора-вычитатепервом, втором и третьем переключа- ля соединен с выходом элемента И,телях, элементе ИЛИ, счетчике импуль- первый вход которого объединен с втосовэ элементе ИУ триггере и генерато рым входом элемента Илиэ с управляюре импульсов, выход которого являет- щим входом цифрового сумматора-вычитася четвертым выходом блока, первым, теля и является входом второго разрявторым и третьим входами которого яв- да второй группы входов арифметиколяются соответственно управляющие логического устройства, выходами ковходы первого, второго и третьего торого являются соответствующие выхо 55а-вычитателя.переключателей, а первым выходом - ды цифрового сумматора-вычитат1398093 Таблица 1 Адресныекоды ответствие идеальноЦЛП 8 у мВ овню-3+2+ (56+512=896 а блиц ресные Коды дополнитель Аналоговые эквивалент1 дкоды ных,погрешностей грешностей, мВ идеально 8, мВ+110 ,+111 1 ды основ Аналоговые эквиваленты погреш погрешностей, мВ тей 2+ (-8) =-104+(-8)=-122+(-4)+(-8)= 8+512=640 6+512=768 оответстмУ Уровню1398093 в Составитель Ю. СпиТехред М,дидык ректор Л. Пилипен дактор П. Гереши Заказ 3768 ИИПИ по 130 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектн Тираж 928 Государственного ко елам изобретений и о сква, Ж, Раушска