Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК ав 80 и А 94 НОЗМ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ нены иточннкао соедипереклюи В (53) (56) выходы соеми первымипреобр азова- и шинами, запоминающего рвого переключат ервыи вхо стройства ервого пе алогово соедине теля, вт минающего шиной, вто ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) О. С, Андреев, О. П, Андрух,Б. А, Бохонко, В. А. КалынюкА. Стрик681.325(088,8)Патент США У 3982241,кл. Н 03 К 13/20, опублик. 1976.Мурсаев А. Х. Двукратное использование сравнивающего усилителя дляповышения точности аналого-цифровыхпреобразователей, Приборы и техникаэксперимента, 1974, с, 70-71,(54)(57) 1, АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий регистр последовательных приближений, первый входкоторого соединен с первым выходом динены с соответствующиходами цифроаналоговог еля и являются выходным соединен с вторым выходом еключателя, вход которого выходом сравнивающего уси рой вход аналогового запо стройства являетсяобщей ой переключатель, первый вход которого соединен с первым выходом источника сигнала, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, внего введены третий переключатель,источник начального тока, преобразователь напряжения в ток и дифференциальный усилительный каскад, первыйи второй входы которого соединены соответственно с выходами второго итретьего переключателей, второй входвторого переключателя и первый вход третьего переключателя объ соединены с вторым выходом сигнала, третий выход кото нен с вторым входом третьего чателя, управляющие входы первого, второго, третьего переключателей, аналогового запоминающего устройства, регистра последовательных приближений объединены и являются шиной управления, первый и второй выходы дчфференциального усилительного каскада соединены соответственно с первым и вторым входами сравнивающего усилителя, третий вход дифференциального усилительного каскада является первой шиной питания, четвертый вход соединен с выходом источника начального тока, первыми выходами преобразователя напряжения в ток и цифроаналогового преобразователя, пятый (вход соединен с вторыми выходами циф- . д роаналогового преобразователя и преобразователя,напряжения в так, вход источника начального тока, первый вход преобразователя напряжения в ток, второй вход цифроаналогового преобразователя объединены и являются второй шиной питания, второй вход преобразователя напряжения .в ток соединен с выходом аналогового запоминающего устройства, а второй вход регистра последовательных приближений является шиной тактового сигнала.2, Преобразователь по п, 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что дифференциальный усилительный каскад выполнен на трех резисторах и первом и втором транзисторах, базы которых являются соответственно первым и вторым входами дифференциального усилительного каскада, первый и второй1350831 выходы которого являются коллекторами соответственно первого и второго транзисторов, которые соединены соответственно с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых объединены и являются третьим входом дифференциального усилительного каскада, эмиттеры первого и второго транзисторов соединены соответственно с первым и вторым выводами третьего резистора и являются соответственно пятым и четвертым входами дифференциального усилительного каскада.3. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь напряжения в ток выполнен на пяти резисторах, двух источниках начального тока первом и втором транзисторах, коллекторы которых являются соответственно первым и вторым выходами преобразователя напряжения в ток, эмиттеры первого транзистора соединены с первым выводом первого резистора, выходом первого источника начального тока, эмиттер второго транзистора соединен с вторым выводом первого резистора и выходом второго источника начального тока, входы первого и второго источников начального тока объединены с первыми выводами второго и третьего резисторов и являются первым входом преобразователя напряжения в ток, второй вывод второго резистора соединен непосредственно с базой первого транзистора и через четвертый резистор соединен с общей шиной, второй вывод третьего резистора соединен. с базой второго транзистора и с первым выводом пятого резистора,.второй вывод которого является вторым входом иреобразователя напряжения в ток4, Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что цифроИзобретение относится к измеритель ной и вычислительной технике и может быть использовано в электроизмеритель ных приборах, измерительно-вычислительных и управляющих комплексах. аналоговый преобразователь выполненна блоке преобразования уровня напряжения, и переключателях, где ивчисло разрядов преобразования, блокеФиксации уровня напряжения на п+1транзисторах, резистивной матрице типа ЯВ, источнике стабильного токана дополнительном транзисторе, двухрезисторах, диоде, стабилитроне, анодкоторого объединен с первым выводомпервого резистора и является вторым входом цифроаналогового преобразователя, катод об.ьединен с катодомдиода, анод которого через второйрезистор соединен с общей шиной и непосредственно с базой дополнительного транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом первого резистора, а коллектор через резистивную матрицу В - 2 В соединен с соответствующими эмиттерами и+1 транзисторов, базы которых объединены и являются шиной напряжения фиксации,коллектор первого транзистора соединен с общей шиной, а коллекторы итранзисторов соединены соответственно с информационными входами и переключателей, первые и вторые входыключателей, первые и вторые выходыкоторых соответственно объединены иявляются соответственно первым и вторым выходами цифро "аналогового преобразователя, управляющие входы п переключателей соединены с соответствующими.выходами блока преобразованияуровня напряжения, входы которого являются первыми входами цифроаналогового преобразователя. 5. Преобразователь по пп, 2 - 4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что транзисторы дифференциального усилительного каскада, преобразователя напряжения в ток и цифроаналогового преобразователя выполнены на транзисторах одинакового типа проводимости. Целью изобретения является повышение точности преобразования.На Фиг, 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2- структурная электрическая схема диф 13508ференциального усилительного каскада; на фиг, 3 - структурная электрическая схема преобразователя напряжения в ток; на фиг. 4 - структурная электрическая схема цифроаналогового преобразователя.АЦП (фиг. 1) содержит сравнивающий усилитель 1, первый 2, третий 3 и второй 4 переключатели, аналоговое запоминающее устройство 5, регистр 6 последовательных приближений, цифроаналоговый преобразователь 7, преобразователь 8 напряжения в ток, источник 9 начального тока, дифференци альный усилительный каскад 10, первую 11, вторую 12 шины питания, общую шину 13, шину 14 управления и шину 15 тактового сигнала. Второй 16 и первый 17 входы дифференциального усилительного каскада О через третий 3 и второй 4 переключатели подключены к выходам источника 18 сигнала в режиме выборки входного сигнала и к второму выходу 19 источника 18 в ре жиме преобразования. Четвертый 20 и пятый 21 входы подачи токового сигнала отрицательной обратной связи соединены соответственно с первым 22 и вторым 23 выходами преобразователя 8 30 напряжения в ток и первым и вторым выходами 24 и 25 ЦАП 7, первый 26 и второй 27 выходы подключены к соответствующим входам сравнивающего усилителя 1, а третий вход 28 подключен к первой шине 11 питания. Выходы регистра б подключены к первым входам 29 ЦАП 7 и к выходам 30 устройства.Вторая шина 12 питания подключена соответственно к второму 31 и первому 32 входам ЦАП 7 и преобразователя 8, второй вход 33 которого соединен с выходом аналогового заломинающего устройства 5.ДифФеренциальный усилительный кас кад 10 (фиг. 2) содержит второй 34 и первый 35 транзисторы, первый Зб и второй 37 резисторы и третий резистор 38.Преобразователь 8 (фиг. 3) содержит первый 39 и второй 40 транзисторы, первый 41 и второй 42 источники начального тока, делители 43 и 44 напряжений, выполненные на втором, третьем, четвертом и пятом резисторах, и первый резистор 45, ЦАП 7 .(фиг, 4) содержит блок 46 преобразования уровня напряжения, и переключателей 47, блок 48 фиксации уровня,314резистивную матрицу ВК 49, источник 50 стабильного тока на токоотводящем транзисторе 51, резисторе 52и термокомпенсирующем источнике 53опорного напряжения. Блок 48 выполнен на итранзисторах 54, базы которых подключены к шине 55 напряженияфиксации.Термокомпенсирующий источник 53опорного напряжения содержит стабили-,трон 56, диод 57, обеспечивающий компенсацию напряжения переходов базаэмиттер токоотводящего транзистора51, и резистор 58 питания стабилитрона 56.Аналого-цифровой преобразовательимеет два режима работы - режим выборки входного сигнала и режим преобразования. Режим работы определяется состоянием шины 14, Пусть уровнюлогической "единицы" на шине 14 соответствует режим выборки входногосигнапа, тогда уровню логического"нуля" будет соответствовать режимпреобразования,При подаче логической "единицы"на шину 14 переключатели 2, 3 и 4устанавливаются в положение, показанное на фиг, 1, АЗУ 5 устанавливаетсяв режим выборки, а регистр 6 - в исходное состояние, например, соответствующее уровням логического "нуля",Переключатели 3 и 4 обеспечивают подключение выходов источника 18 сигнала 1 к входам 16 и 17 дифференциального усилительного каскада 10, который в режиме выборки входного сигналаохвачен отрицательной обратной связью 26 и 27 через сравнивающий усилитель 1, переключатель 2, АЗУ 5 ипреобразователь 8 на входы 20 и 21подачи токового сигнала отрицательной обратной связи (полярность входов сравнивающего усилителя 1 и АЗУ5 показана на фиг, 1). Исходному состоянию регистра 6 соответствуетположенйе переключателей тОка в блоке 47 (Фиг, 4), при котором весь токисточника 50 стабильного тока подключен к выходу 25 ЦАП 7.Причем значение тока источника 9равным току источника 50, а токи источников 41 и 42, коэффициенты деления делителей 43 и 44 напряжения исопротивления резисторов 36 и 37 равными между собой,Режим выборки входного сигналаописывается следующим выражением:350831 6 (при 1 = О) и коэффициент передачи с входа устройства на выход АЗУ 5 хВ 1Ка где 1 - значение сигнала на выхосдах источника 18;В - сопротивление резистора38 ФЦ - напряжение на выходе АЗУ 5К - коэффициент деления делидтелей 43 и 44;В - сопротивление резистора45;В - сопротивление резисторовн36 и 37;ь - суммарный разбаланс токовв плечах дифференциального усилительного каскада10, вызванный неидеальностью ЦАП 7, .преобразователя 8, источника 9 итранзисторов 34 и 35 вдифференциальном усилительном каскаде 10;1 с, А, ив напряжение смещения, коэффициент усиления и выходное напряжение сравнивающего усилителя 1,Напряжения на выходах АЗУ 5 и сравниваемого усилителя 1 связаны между собой соотношением 2 В А К В+ А 1 - + В, кд Вка Первая составляющая правой части выражения (3) определяет зависимость выходного напряжения АЗУ 5 от значения входного сигнала 1 , а две другие составляющие содержат информацию о погрешностях узлов устройства, Начальное значение напряжения Бд,55 сгде 1 , К- напряжение смещенияМЧи коэффициент передачи АЗУ 5,Из выражения (1) с учетом выражения (2) и при условии, что А- с определим значение напряжения на выходе АЗУ 5; 2 В1 + д 1 В + 1 +-М. В н с А в соответствии с (3) выбираются такими, чтобы при всех значениях 1выходное напряжение АЗУ 5 находилосьв пределах его рабочего диапазона.Начальное значение напряжения 11в случаях необходимости регулируетсяизменением тока источника 9, Длительность режима выборки входного сигнала должна быть достаточной для записи информации в АЗУ и установленияпереходных процессов в схеме.При подаче уровня логического"нуля" на шину, что соответствуетрежиму преобразования, переключатели2 - 4 переводятся в положение, противоположное показанному на фиг. 1, аАЗУ 5 - в режим хранения, Переключа 25 тели 3 и 4 соединяют входы 16 и 17дифференциального усилительного каскада 10 с выходом 19 источника сигнала, который соединен с общей шиной13. Отключение источника сигнала 1З 0 приводит к разбалансу токов в плечахдифференциального усилительного каскада 10, величина которого определяется запомненным в АЗУ 5 напряжением11 д. Разбаланс токов компенсируется35выходным током ЦАП 7 в процессе поразрядного уравновешивания, котороереализуется регистром 6 под воздействием тактового сигнала с шины 15, Врежиме преобразования действует отрицательная обратная связь с выходов26 и 27 дифференциального усилительного каскада 10 через сравнивающийусилитель 1, переключатель 2, регистр6 И ЦАП 7 на его входы 20 и 21 (по 45 лярность входа регистра 6 последовательных приближений показана нафиг, 1),Процесс поразрядного уравновешивания в устройстве осуществляется сле 50 дующим образом,Пусть выходное напряжение 11,АЗУ 5, воздействуя через преобразователь 8, приводит к разбалансу токов в плечах дифференциального усилительного каскада 10,. при котором ток коллектора транзистора 35 больше тока коллектора транзистора 34. Разбаланснапряжения на выходах 26 и 27 дифференциального усилительного каскада 10(6) с1 о где М = -дВ Й установит на выходе сравнивающего уси-" е усилителя 1 низкий уровень (логический "нуль"). В первом такте преобразования в старшем разряде выходов реги 5стра 6 устанавливается уровень логической "единицы". Переключатель тока в блоке 47, соответствующий старшемуразряду, переключает ток старшегоразряда, равный половине тока источника 50, с выхода 25 на выход 24 ЦАП 7. Это приводит к изменению токовв плечах дифференцйального усилительного каскада 10: ток через транзистор 34 увеличивается, а ток через транзистор 35 соответственно уменьшается. на величину, равную току старшего разряда, Если в конце первого такта соотношение токов в плечах дифференциального усилительного каскада10 не изменится, т,е. ток коллектора транзистора 35 будет превышать ток коллектора транзистора 34, то состояние выхода сравнивающего усилителя 1 не изменится и с учетом инверсии вхо да регистра 6 в его старший разрядзапишется уровень логической "единицы". Состояние переключателя токастаршего разряда в блоке 47 не изменится. Если же ток коллектора транзистора 34 превысит ток коллекторатранзистора 35, то на выходе сравнивающего усилителя 1 установится высокий уровень (логическая "единица") ив старший разряд регистра 6 последовательных приближений в конце первоготакта запишется уровень логического"нуля". Переключатель тока старшегоразряда в блоке 47 переключится висходное состояние, Определение ос Отальных разрядов в последующих тактах преобразования осуществляетсяаналогично, Результат аналого-цифрового преобразования снимается с выходов 30 устройства.Процесс уравновешивания в режимепреобразования описывается выражени- ем пппВп В + Ь 1 0 ь К 2 Вгде д 1- изменение тока на выходах ЦАП Ур цс--- среднее значение напряспжения на выходе сравнивающего усилителя; уровни логической "единицы" и логического "нуля"на выходе сравнивающегоусилителя 1,(3) выражение (4) приниПервая часть выражения (5) опреде-ляет погрешность сравнения, которуюможно свести к пренебрежимо малойвеличине соответствующим выбором величин. сопротивления нагрузки В и коэффициента усиления А,Пренебрегая погрешностью сРавнения,приведем выражение (5) к виду Изменение тока д 1 определяетсязначениями тока 1, источника 50 икода М на входах 29 ЦАП 7: лп 1 П Б 11 мапс Во . нпкс где 0, - значение опорного напряжения термокомпенсирующего источника 53;В - сопротивление резистора 52.оЗависимость значения выходного тока от величины входного сигнала 1, в соответствии с (6) и (7) определяется выражением- масштабное преобразование.Как видно иэ выражения (8), в процессе аналого-цифрового преобразования компенсируется аддантивная погрешность, определяемая разбалансом токов ь 1 и напряжением смещения 1сравнивающего усилителя 1.Масштаб преобразования устройства М определяется отношением сопротивлений двух резисторов: резисторов 38 и 52, Мультипликативная погрешность устройства будет определяться погрешностьюотношения сопротивлений этих резисторов.Для большинства датчиков с низкоуровневым выходом характерным является наличие раэностного сигнала и син10 0831 9 135 фазной составляющей. Синфазная составляющая может представлять собой некоторое постоянное напряжение (характерно для мостовых датчиков), либо переменное напряжение помехи (например, с частотой сети), Эквивалентная схема источника 18 сигнала с. разностным сигналом 1 и синфазной составляющей напряжения помехи 1 ии его подключение к входам АЦП приведе. но на фиг. 1. Рассмотрим механизм подавления синфазного напряжения помехи 1 в АЦП, На выводах источника 18 сигнала будут присутствовать синфазные составлянидие относительно общей шины 13 . соответственно 1 + - и 1-е 2 Разностный сигнал будет иметь значение 1, В идеальном случае, благодаря дифференциальному входу, АЦП должен реагировать только на разностный сигнал 1и подавлять синфазную составляющую помехи 1 . Однако из-за разброса характеристик компонентов, что приводит к ассимметрии дифференциальных схем, последние имеют конечный коэффициент ослабления синфазного сигнала. Это приводит к возникновению дополнительных погрешностей. Устройство обеспечивает компенсацию этих погрешностей для сигналовпомехи с низкочастотным спектром.Происходит это следующим образом,Пусть синфазное напряжение помехи 1приведет к дополнительному разбалан-су токов ь в плечах дифференциального усилительного каскада 10, В со 10 ответствии с выражением (3) этот разбаланс токов преобразуется в приращение напряжения Ына выходе АЗУ5 в режиме выборки входного сигнала.В режиме преобразования входы 16 и 1715 дифференциального усилительного каскада 10 через переключатели 3 и 4подключаются к выходу 19 источникасигнала, на котором присутствует напряжение помехи 1 по отношению к2 О общей шине, 13. Напряжение помехи 1в режиме преобразования будет создавать такой же разбаланс токов в плечах дифференциального усилительногокаскада 10, как и в режиме выборки.25 В процессе преобразования разбаланстоков 1 сбгласно (4) компенсируется током, создаваемым напряжениемьБ,ц, Это справедливо для помех, период которых намного больше времениЗО преобразования и, следовательно,изменение напряжения помехи за этовремя несущественно,1350831 Тираж 900 ПодписноеИ Государственного комитета СССРделам изобретений и открштийМосква, Ж, Раушская наб., д. аз 5298/57 5 11303 ическое предприятие,: г, Ужгород, ул, Проектная,ПроизводственноСоставитель А, Титоведактор Н. Егорова Техред И.Ходанич ,Корректор Л.Тяс