Аналого-цифровой преобразователь

СОЮЗ СНИ А 1 ЗМ 126 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4 46хнический инБ поли.П.Стах 8.8)М. Цифровые электрриборы. М.: Знерги льство СССРМ 1/26, 1984.(57) Изобретен ИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВА- е касается преобразоОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) ляндин Визмерительные п1972, с. 189.Авторское свВ 1197079, кл. вания аналоговых сигналов в цифровойкод, Изобретение позволяет повыситьточность за счет улучшения линейности характеристикиОсобенность предложенного технического решения заключается в использовании избыточныхизмерительных кодов для коррекциилинейности характеристики преобразования, которая осуществляется с помощью введенных регистра последовательного приближения, цифроаналогового преобразователя и тактового генератора, частота которого. в режимесамоконтроля регулируется с цельюобеспечения заданных требований пОлинейности преобразования. 1 з;п.ф-лы, 4 ил.1 1277396Изобретение относится к цифровойвычислительной и измерительной тех- днике и предназначено для преобразова- тния аналоговых величин в цифровые к Аналого-цифровой преобразовательолжен быть построен на основе избыочных измерительных кодов, напримерадов "золотой" р-пропорции. Примеительно к преобразователям циклического типа с. переменным опорным напряжением целесообразно использоватьсимметричный код золотой р-пропорции, Любое действительное число в 1 О таком коде может быть представлено ввиде На фиг. 1 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразователя; на Фиг2 - пример реализации тактового генератора, на фиг, 3 граф-схема алгоритма работы устрой ства, на Фиг. 4 - Функциональная схема блока управления.Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит входнуо шину 1, ацапоговый коммутатор 2 (АК), пер вый аналоговый запоминающий элемент, выполненный на конденсаторе (С) 3, усилитель 4, блок 5 сравнения (БС), источник 6 опорного напряженця (ИОН), ключевой элемент 7 (КЭ), торой ана логовый запоминаюий элемент, выполненный на конденсаторе (С) 8, первый блок 9 ключевых элементов (БКЭ), третий аналоговый запомнашй элемент, выполненный на конденсаторе 30 (С) 1 О, второй блок 11 ключевых элементов (БКЭ), регистр 12 сдвига (РС), блок 13 контроля кодов (БК), регистр 14 последовательного приближения (РПП), цифроаналоговый преобразователь 15 (ЦАП), тактовый генератор 16 (ТГ), выходные шины 17, блок 18 управления (БУ), входную шину 19 "Режим работы", к которой подключен первый вход блока 18. Послед- щ пий содержит выходы с первого по шестой 20-25, второй вход 26, седьмой и восьмой выходы 27 и 28, третий и четвертый входы 2930, девятый и десятый выходы 31 и 32, пятый вход 33 45 и шестой вход, который является шиной "Запуск".Тактовый генератор 16 (Фиг. 2) может быть выполнен на компараторе 34 (К), операционном усилителе 35 (ОУ), резисторе (Н) 36 конденсаторв (С) 37, ключевом элементе 38 (КЭ),Блок 18 управления (фиг, 4) выполнен на постоянном запоминающем устройстве 39 (БОМ), первом и втором регистрах 40 и 41 (БО),. счетчике 42 пересчета на три (СТз), счетчике 43 тактов (СТт), триггере 44 (Тг), формирователе 45 импульса (Г),1 ОО1 =г,=-ОЭгде а,е 11,1 - двоичный коэффициент,причем а,=1 соответствует суммированию веса -го разряда а а =1 - вы 1читанию веса з.-го разряда,М - вес .-го разряда,р=0,1,2, ;, - параметр кода.В этих кодах между весами разрядов существуют контрольные соотнопе-ния: Предлагаемый аналого-циФровой преобразователь работает в двух режимах: режиме преобразования входной аналоговой величины А в симметричный и в разрядн код цзолотой" р-пропорции и в режиме самоповерки.Преобразование входной аналоговой величины:А в и-разрядный код происходит за и тактов, в каждом из которых Формируется значение одого разряда выходного кода. В процессе кодирования преобразуемая аналоговая величина А, алгебраически суммируется с набором из и эталонных уровней П93 ф формируемых на запоминающем конден- саторе 10. Кодирование входной аналоговой вечины А производится в соответствии с соотношением. л1). =У:-а;П (1-е ), (2) где 1) коды.Цель изобретения - повышение точности за счет улучшения линейности характеристики аналого-цифрового преобразования. значение преобразуемого напряжения на (+)-м такте преобразования;значение преобразуемого напряжения ца -м такте преобразования;постоянная времени цепи разряда конденсатора 1 О на конденсатор 3;длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью управляющего импульса.;в (3)1, Ц сО,Сэ Сю 40 а - выходной сигнал блока 5 1сравнения,определяемый выражением: Длительность управляющего импульса выбирают такой, чтобы значения-1 С,напряжений 1,( 1-е ) были пропорциональны весам разрядов кода "золотой" р-пропорции. Результат преобразования формируется на основании последовательности выходных сигналова блока 5 сравнения,В режимепреобразования участвуют все блоки устройства, кроме блока 13 контроля и регистра 14 последовательного приближения. В этом режиме аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом. На первом такте преобразования входная аналоговая величина А через анах логовый коммутатор 2 передается на запоминающий конденсатор 3, который заряжается до напряжения Б 1, пропорционального входному аналоговому сигналу Ах, Запоминающие конденсаторы 8 и 10 заряжаются через ключевой элемент 7 и второй блок 11 ключевых элементов до напряжения П от источникаф 6 опорного напряжения. Напряжение ц, через усилитель 4 поступает на вход блока 5 сравнения. На выхо- де блока 5 сравнения формируется значение старшего разрядного коэффициента а в соответствии с выражением (3), Причем значение а =1 соответствует суммированию первого эталонного уровня У ,=1 ои преобразуемого напряжения Б, в следующем такте преобразования, а значение а,=1 - вычитанию эталонного уровня Ц , и преобразуемого напряжения Б . Значение разрядного коэффициента а заносится в сдвиговый регистр 12,На втором такте в соответствии ссоотношением (2) формируется напряжение У на конденсаторе 3 следующим образом. Конденсатор 10 включается через блок 9 ключевых элементовв цепь обратной связи усилителя 4таким образом, чтобы обеспечиваласьподача напряжения Б ,=Б обратнойполярности на конденсатор 3, В результате на конденсаторе 3 формируется цапряжениед 1 .=Ц, -а, . (1-. ),-Ю,где 7, ; постоянная времени цепи разряда конденсатора 10 наконденсаторе 3;,длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью управляющего имгульса.На конденсаторе 10 сформируетсяьлнапряжение П =1 е . На выходесю .11 О блока 5 сравнения в соответствии сусловием (3) формируется значениевторого разрядного коэффициента авыходного кода, которое записываетсяв сдвиговый регистр 12.15 Затем по команде блока 18 управления формируется второй эталонный:уровень У следующим образом. Конденсаторы 8 и 1 О включаются параллельно через блок 11 ключевых элементов, В результате происходит перераспределение заряда между конденсаторами 8 и 10 такчм образом, что наконденсаторе 10 установится напряжение второго эталонного уровня 25 (л1 =У, (1/К(1-е )(1-е )+егде 1;, - постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 8и 10;30 - .постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 10и 3;К - коэффициент, связывающийвеличины конденсаторов 8и 10;- длительность процесса пере"заряда, определяемая длительностью.управляющего импульса. На третьем такте аналогичным об разом формируется напряжение3 2 "7. ч 7 )-+/,на конденсаторе 3. На конденсаторе10 сформируется напряжение 50 Б =Б ес.ю этгНа выходе блока 5 сравнения всоответствии с условием (3) формируется значение третьего разрядногокоэффициента а выходного кода, которое записывается в сдвйговый регистр 12. Затем с помощью блока 18управления, блока 11 ключевых элементов, запоминающих конденсаторов-1, -ф ЮВ остальных (и)-х тактах устройство работает аналогичным образом, По истечении и тактов преобразования в регистре 12 сформируется симметричный и-разрядный код "золотой" р"пропорции, соответствующий входной аналоговой величине . А с точностью до единицы младшего разряда.Изменение с течением времени и под воздействием условий внешней среды параметров аналоговых узлов, а именно смещения нуля усилителя 4 и блока 5 сравнения, соотношения величин запоминающих конденсаторв 8, 1 О и 3, приводит к возрастанию погрешности линейности преобразователя.В режиме самоповерки подбирают частоту импульсов тактового генератора 1 б, обеспечивающую преобразова - ние входной аналоговой величины А в код с заданной погрешностью линейности, Процедура самоповерки заключается в многоКратном кодировании эталонного вспомогательного сигнала А значение которого равно А =О, эх зг В результате кодирования эталонного вспомогательного сигнала А, Формируется условие:- фф (4)1, . (где г" - текущее значение частоты1тактового генератора 16;Г- частота импульсов тактового генератора 16, обеспечивающая преобразованиевходной аналоговой величиныА в код с заданной погрешностью линейности.Управление частотой тактового генератора 16 осуществляется в соответствии с условием (4) с помсщью цифроаналогового преобразователя 5 и регистра 14 последовательного приближения.В режиме самоповерки устройство работает следующим образом.На первом такте по команде блока 18 управления в регистре 14 последовательного приближения устанавливается кодовая комбинация, в которой старший разряд является значащим. Полученный в регистре 14 последовательного приближения код преобразуется цифроаналоговым преобразователем 15 в аналоговый сигнал,управляющий частотой тактового генератора 16. В результате на выходе 5 тактового генератора 1 б.устанавливается частота Г, следования импульсов, Затем конденсаторы 8 и 1 О заря -жаются до напряжения 1 от источника б опорного напряжения. На запоминающий конденсатор 3 через вторайвход аналогового коммутатора 2 подается эталонный вспомогательный сигнал Л=О. В результате конденсатор3 заряжается до напряжения П, =О, Затем блок 18 управления генерируетнабор микрокоманд, обеспечивающийпреобразование напряжения ц в кодописанным способом. Блок 13 контроляанализирует каждые три разряда выходого кода, формирующегося в сдвиговом регистре 12. Причем, если погрешность линейности преобразователя непревышает заданной величины, т,е,,частота тактового генератора 16 Гыходном коде будутприсутствовать только разрешенные кодовые комбинации вида 11 и/11. Если частота тактового генератора 16 ,Г то в выходном коде появятся запрещенные кодовые комбинации, на что укажет выходной сигналблока 13 контроля, Если 1,)то взапрещенной кодовой комбинации сформируется значение старшего разряда 35 у=1. Если 1, , то в запрещеннойкодовой комбинации сформируется значение старшего разряда у, котороепоступает на Э-вход регистра 14 последовательного приближения.Во втором такте самоповерки посигналу блока 18 управления в регистре 14 последовательного приближения устанавливается в единичноесостояние более младший разряд. При 45 этом старший разряд остается в единичном состоянии, если у=1, и обнуляется, если у=-.1, Полученная кодоваякомбинация преобразуется цифроаналоговым преобразователем 15 н анало говый сигнал, управляющий частотойтактового генератора 16. На выходетактового генератора 16 устанавливается частота Г следования импульсов.Заем процесс кодирования эталонного 55 вспомогательнсго сигнала А повторяется.Процедура самоповерки заканчивается, когда частота тактового генератора 16 будет равна Г,=Г, т.е. ввыходном коде будут присутствоватьтолько разрешенные кодовые комбинациивида 111 и 111,Алгоритм функционирования предлагаемого устройства в соответствиис приведенным описанием работы приведен на фиг. 3, где обозначено:вершина 1 с начальная установка РС12 и РПП 14; вершины 2 и 3 - зарядызапоминающих конденсаторов 8 и 10,от источника опорного напряжения(ИОН) 6; верюины 4-7 - кодированиевходной измеряемой величины А иливспомогательного сигнала А ; верши-на 8 - переключение разряда в регистре 14 последовательного приближенияи органиэации временной задержки Гнеобходимой для установления переходных процессов на выходе цифроаналогового, преобразователя 15 итактового генератора 16;Необходимые для управления функционированием аналого-цифровогопреобразователя управляющие и условные сигналы приведены в таблице.Формула изобретения1, Аналого-цифровой преобразователь, содержащий аналоговый коммутатор, первый информационный вход которого является входной шиной, второй информационный вход подключен к общей шине, выход подключен к входу усилителя и через первый аналоговый запоминающий элемент к общей шине, первый и второй управляющие входы подключены к первому и второму выходам блока управления, первый вход которого является шиной "Режим работы", третий и четвертый выходы подключены к первому и второму управляющим входам первого блока ключевых элементов, пятый выход подключен к управляющему входу ключевого элемента, информационный вход которого подключен к первому выходу источника опорного напряжения, второй выход которого и выход ключевого элемента, подключены к соответствующим информационным входам второго блока ключевых элементов, между которыми включен второй аналоговый запоминающий элемент, управляющий вход второго блока ключевых элементов подключен к шестому выходу блока управления, первый и второй выходы подключены к соответствующим информационным входам первого блока ключевых элементов, 5 10 15 го 25 30 35 40 45 50 55 между которыми включен третий аналоговый запоминающий элемент, первыйвыход первого блока ключевых элементов подключен к входу усилителя, второй выход объединен с выходом усилителя и подключен к входу блока сравнения, выход которого подключен квторому входу блока управления и кинформационному входу регистра сдви"га, первый и второй управляющие входы которого подключены к седьмому ивосьмому выходам блока управления,выходы являются выходными шинами,выходы трех младших разрядов подключены к соответствующим входам блокаконтроля кодов, выход которого подключен к третьему входу блока управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности засчет улучшения. линейности. характеристики аналого-цифрового преобразования, введены тактовый генератор,цифроаналоговый преобразователь регистрпоследовательного приближения, информационный вход которого подключенк третьему младшему разряду регистра сдвига, а первые выходы подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выходкоторого подключен к входу тактового.генератора, выход которого подключенк четвертому входу блока управления,девятый и десятый выходы которогоподключены к первому и второму управляющим входам регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к пятому входу блокауправления, шестой вход которого является шиной "Запуск",2, Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, блокуправления выполнен на первом и втором регистрах, триггере, формирователе импульса, счетчике пересчета натри и счетчике тактов, постоянномзапоминающем устройстве, первый ивторой адресные входы которого являются первым и вторым входами блокауправления, третий адресный вход подключен к выходу переполнения счетчи-ка пересчета на три, четвертый адресный вход является третьим входомблока управления пятый адресныйвход подключен к выходу переполнениясчетчика тактов, шестой адресныйвход является пятым входом блока управления, адресные входы с седьмогопо десятый подключены к соответствующим выходам второго регистра, выхо1277396 ды с первого по четырнадцатый подключены к соответствующим информационным входам первого регистра, выходыс пятнадцатого по восемнадцатый подключены к соответствующим информационным входам второго регистра,первый управляющий вход которого является шестым входом блока управления,второй управляющий вход подключенк инверсному выходу триггера и к егоинфомационному входу, первый управляющий вход которого является четвертым входом блока управления,второй управляющий вход подключен к выходу формирователя импульса, прямой выход подключен к управляющему входу первого регистра, первый и второйвыходы которого подклеены соответственно к счетному и управляющему вхогдам счетчика пересчета на три, третий и четвертый выходы подключенысоответственно к счетному и управляющему входам счетчика тактов, выходыс пятого по четырнадцатый являются 1 О соответственно шестым, пятым, вторым,девятым, восьмым, первым, седьмым,третьим, четвертым и десятым выходами блока управления, при этом четыр-надцатый выход первого регистра под ключен к входуформирователя импульса. Обозна- Наименованиечение сигналовсвязи Примечание Номер связи Номери/п Х 1 Р ежим 19 ния Х 2=1 О О 1 Х 2 Сигнал БС 5 2 26 ХЗ Сигнал переполнения СТз 42Х 5=1 конец кодирования Х 6 Сигнал РПП 14У 1 Нач. уст, РС 12У 2 Нач. уст. РППУЗ Коммутация АК 2 Х 6=1 конец самоповерки У 1=1 ВС: =:0 У 2=1 РПП:=0 УЗ= коммутация Азаряд С 8 от ИОН 6 У 4 Коммутация КЭ 7 У 4=1 У 5 Коммутация БКЭ 11 У 5=1 С 10 перезаряд С 8 и У 6 Нач, уст. СТт 43У 7 Коммутация АК 2У 8 Нач, уст, СТ 42У 9 Сдвиг в РС 12У 10 Счет СТт 43 У 6=1 СТт". =0 12 У 7=1 13 21 коммутация А. =0 эт СТ =0 3 БС:=Ь 1 ВО1277396 Составитель В.Першиктрова Техред Л.Олейник Корректор В,Бутя Редактор М аказ 6760/5 4 ушская наб. оизводственно-полиграфичеокое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектна 7 Тираж 816 ВНИИПИ Государственн по делам изобретени 113035, Москва, 3-35, РПодписного комитета СССРи открытий