Адаптивный аналого-цифровой преобразователь

ьлик ОЗМ 1 50 ЧФ БРЕТЕНИЯ НИЕ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(21) 4034296/24-24(56) Авторское свидетельство СССВ 525240, кл. Н 03 М 1/34, 1976.Авторское свидетельство СССРВ 706925, кл. Н 03 М 1/34,15.06.78ин ОйАНАЛОГО-ЦИФРОВе относится к инфотельной технике, а.(57) Иэобретемационно-изме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПОДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ также может быть использовано в системах автоматического регулированияи управления в качестве первичногопреобразователя для. устройства вводав ЦВМ. В устройство, содержащее управляемый цифровой делитель, счетчик импульсов, ключ, аналого-цифровой преобразователь считывания, элемент управления, блок сравнения, с целью повышения точности преобразования засчет адаптивного изменения числа раз-рядов преобразователя в зависимостиот скорости изменения входного сигнала, введены шифратор, преобразовательпогрешности аппроксимации, элементввода дискретных сигналов, элемент авывода дискретнык сигналов,. оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство. 4 ил.Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а также может быть использовано в системахавтоматического регулирования и управления в качестве первичного преобразователя для устройства ввода вЦВМ,Целью изобретения является повышение точности преобразования эа счет 10адаптивного изменения числа разрядовпреобразователя в зависимости от скорости изменения входного сигнала,На фиг.1 изображена структурнаясхема предлагаемого адаптивного аналого-цифрового преобразователя; наФиг.2 - структурная схема преобразователя аппроксимацищ на фиг.3 и4 - схема процесса измерения с адап -тацией. 2 ОПреобразователь содержит входнуюшину 1, шину 2 управления, управляемый цифровой делитель 3, аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 4 считывания, блок 5 сравнения, преобразователь 6 погрешности аппроксимации,элемент 7 дискретного ввода, элемент8 вывода дискретных сигналов, оперативное запоминающее устройство(ОЗУ) 9, постоянное запоминающее уст" ЗОройство (ПЗУ) 10, элемент 11 управления, счетчик 12 импульсов, шифратор 13, ключ 14 и интерфейсную магистраль 15,Преобразователь содержит аналоговый ключ 16, аналоговое запоминающееустройство 17, блок 18 вычитания,блок 19 выделения модуля и аналогоцифровой преобразователь 20.Шифратор представляет собой регистр и группу схем И,Элемент дискретного ввода является стандартным блоком КС, 34.03; элемент 8 вывода дискретных сигналов стандартное устройство КС,35.04; элелент 11 управления - КС.59,01; ОЗУ 9- КС 54,09, КЗУ 10 - КС.96.21 также являются стандартными элементами.50Элемент 11 управления ОЗУ 9, ПЗУ 10, элемент 7 дискретного ввода, элемент 8 вывода дискретных сигналов соединены между собой с помощью интерфеисной магистрали (ИК 1) 15Преобразователь обеспечивает проведение процесса измерения с адаптацией в отношении изменяющихся частотных свойств выходного сигнала, 2+ 1 с + лп соНхЧеБ макск г20 с(3) В качестве критерия оптимизации аналого-циФрового преобразователя предлагается приведенная суммарная погрешность преобразования, определяемая какК Мр, Ье 1 цк -Фс,Ь Ь Ч= д" -- + - - 2 (1)оп кз 11где- приведенная суммарная поЕгрешность преобразованияЬ - приведенная погрешностьквантования аналого"цифрового преобразователя;й - проведенная погрешность "аппроксимации выходногосигчала;К - коэффициент, зависящийот вида аппроксимации истепени аппроксимирующе"го полинома Р;М , - модуль - максимум (Р+1)-ойпроизводной сигнала наинтервале дискретизации;- интервал дискретиэап О 3ции 9время преобразования в анаплого-цифров ом ус тройс тв е;- время чистого запаздывай,1ния11 - максимально допустимоеЛ Максзначение входного сигнала;- число разрядов счетчикае12, подлежащее оптимизации (при ч =яЬ- Ь ) еВведение этого критерия в предлагаемое устройство позволяет минимум= эировать суммарную приведенную погрешность преобразования путем изменения числЯ РЯЗРЯдов (с 1 с) счетчика 12,Минимальное значение суммарной погрешности Ь имеет место при равенстве нуля производной по числу разрядсв при неизменности других характеристик, т.е.(2)уф сДля решения уравнений (2) необходимо найти зависимость 1: иот числа разрядов преобразователя. Для принятого здесь параллельно"последо нательного метода 1 определяется следующим образомф1437997 аппаратурное время преобразования "трубок" шкалы (время измерения АЦП 4 считывания);5 аппаратурное время преобразования "точной" шкалы (реализуемой счетчиком 12 и управляемым цифровым делителем 3); 10 время переписи кодов в элемент 11 управления через устройство 7 дискретного ввода;операция взот выраженискобках; где С ятия целой части 15 - сопзС, (4) я, стоящего в Подставляя (3) и (4) в (1) и решая (2) относительно с 1 получаем1 Ос г +аС(5)фсопт2 (р+1)рует блок 5 сравнения, Элемент 11 уп:25равления опрашивает элемент 7 дис,кретного ввода по четвертому входу,т.е. анализирует сигнал "Раб./ост".,в случае "11 происходит запуск адаптивного аналого-цифрового преобразо"вателя, Кроме того, элемент 11 управ 30ления через интерфейсную магистраль15 в ОЗУ 9 производит переобозначениеН;, на ссре (блок 3; фиг.4, гдеЯ е - среднее значение входного сигнала 1; Ь , на 4 , а (блок 4, йнг.4,З 5 где 6 - среднее значение поао. СРЕ 4,грешности аппроксимации). причем По управляющему сигналу с третье го выхода элемента 8 вывода дискретных сигналов стробируется аналоговыйключ 16 и вхопной сигнал 11 ч запоминается в аналоговом запоминающем устройстве 17. В результате на выходе 45 аналого-цифрового преобразователя 20поЯвлЯетсЯ текУщее значение с 1 сЭто значение погрешности вводится вэлемент 11 управления через третьюгруппу входов элемента 7 дискретного 50ввода и интерфейсную магистраль 15.Элемент 11 управления в соответствиис формулой (5) определяет текущеезначение с 1 с Од . Затем, чеРеэ пеРвУюгруппу выходов элемента 8 вывода дискретных сигналов задается определенный вход счетчика 12 через шифратор13. В результате выполнения .описанныхоперации преобразователь подготовленк работе, т,е. к измерению,Бхгде а -- 2кмаксаЪ - -"- 1.1 аТаким. образом, зная текущее значение а а ф можно опРеделить с 1 соотВ устройстве преобразование напряжения в код осуществляется по следующей формуле:4 ч ГР + 11 тОЧ 1 (6) Нр а (7)фтсч = 11 гр"сч 1 (8).где Н - выходной код преобразователя;Яр - целая часть выходного кода;и - число разрядов кода ЯНоч - дробная часть выходногокода;ш - число разрядов кода И, ;Я - текущее значение кода всчсчетчике;3 21 с 44 ф"с - минимальная величина шагадискретизации, изменяющегокоэффициент деления управляемого цифрового делителя 3;с 1, - максимальное число разрясмаксдов счетчика 1 2Преобразователь функционирует следующим образом.При включении питания счетчик 12сбрасывается нулем, поступающим свторого выхода элемента 8 вывода дискретных сигналов, этот же "0" блоки - число разрядов "грубой" шкалы устройства (число разрядов АЦП 4 считывания). 1Для предлагаемого преобразователя Сцд является постоянной величиной и характеризует время измерения Ьс вРемЯ опРеделениЯ с 1 с , вРемЯ коммутации входов счетчика "точной" шкалы и время ввода-выводаизмеренного значения Ь с, и рассчитанного значения модели, т.е.Непосредственное преобразованиевходного сигнала осуществляется вдва этапа. На первом этапе стробируется АЦП 4 и в результате получается "грубое" значение М измеряеГрмой величины П;коэффициент деленияуправляемого цифрового делителя 3 приэтом равен "1", т.е. на вход АЦП 4подается величина .П, с выхода которого величина М через элемент 7дискретного ввода поступает в оперативное запоминающее устройство 9 вкачестве первого сомножителя для определения И .ци И (блок 10, Фиг,3).На втором этапе определяется М,щ,Элемент 11 управления командой через элемент 8 вывода дискретных сигналов, блок 13 сравнения, через ключ4 разрешает прохождение тактовых импульсов на шифратор 13. Импульсы поступают на соответствующий вход счетчика 12. Счетчик 12 управляет цифровым делителем 3, коэффициент делениякоторого определяется по формулеЬК+ Нсц (9)Напряжение на выходе управляемого цифрового делителя 3 П= П/6 Кначинает уменьшаться. Это уменьшениепроисходит до тех пор, пока не произойдет изменение в младшем разрядеаналого-цифрового преобразователя.Это изменение улавливается блоком 5сравнения, который запрещает прохождение тактовых импульсов от элемента11 управления в счетчик 12 через ключ14 и шифратор 13, т.е, в результатепрерывания от блока 5 сравнения формируется код И , который затем поступает в оперативное запоминающееустройство 9 через элемент 7 вводадискретных сигналов в качестве второго сомножителя для определения Н ц иИ (блоки 12 - 14, фиг,3 и 4), нулемпо первому выходу блока 8 вывода дис"кретных сигналов сбрасывается счетчик 12 (блок 15, фиг.3) и блокируется блок 5 сравнения, Элемент 11 управления определяет Япо формулам(8) и (6),После записи кода И в оперативноезапоминающее устройство 9 и установки узлов преобразователя в исходноесостояние начинается следующий цикл.измерения,Фрагменты программы работы адаптивного аналого-цифрового преобразователя на ассемблере следующие.Предварительно введем дополнительные обозначения: 1-я группа выходов элемента 8 вывода дискретныхсигналов, т.е. КС 35"04 - выводы 26 -42; 1-я группа выходов элементаввода дискретных сигналов, т.е.КС 34.03, - входы 42"47; 2-я группавходов КС 34,03 - входы 48"63; 3-я1 О группа входов КС 34-03 - входы 64-71.Пусть: код М, 16-разрядный занимает2 байта; код Ь, занимает 1 байт;1%)Я " адрес элемента КС.43.03 (вводдискретных сигналов); РПТРЯ - адресэлемента КС 35.04 (вывод дискретныхсигналов),1-й фрагмент: начальная установкаи подготовка к работе НУСТ: Х К А,А,=К20 ОПТ ОПТРЯ +2; сброс счетчика изапрещение прерывания ЦСС 5 ЬНЬР БОБКЕР; пара Ы 1 М 1:=пара БОБКЕР, ЯНЬР М 1 М 1т.е. Мрссре ЬРА РЯКЕР 1 РЕ 1.АР=РБКЕР, т,е,А оаг сре АИАЬ:МЧ А, 4 опрос состоянияОПТ 1%)Я+ входа "4" элемен 1 М 1 МРЯ+ та КС 34.03, т,е., состояние сигнала "Раб./ост." 25 30 АИ 20 Н 1 Е НУСТ проверка состояния входа "Раб./ ост. цикл., по 11ка "Раб,/ост." МЧ 1 А 1ОПТ ООРЯ+3 выдача "1" навыход "3" элемента КС 35.04,т.е. запуск ППА 40 ХТ В, 4 ХКА А выдача на выход ОПТ ОСТРЯ+3) "2" элемента КС 35.04, т.е. приведение выхода "3" в исходное состояние 2-й фрагмент: определить цпо 50 известным Ьа, и И;, .Пусть в результате ц сзаписано в регистровой паре ВС. МОЧ А, С выдачс н ОПТ ОГТРБ группу выходов МОЧ А,В (26-41) элемента РОТ ОСТРЯ+ КС.04В: =26, С:=4Ь 1 текущий номеропрос заданноговхода запись в младшийразряд В "1",если вход был всостоянии "1" 11% В уменьшение на 1текущего номеравхода элементаКС 34.03 М 2: 0 СК С 1 Р М переход, еслитекущий номер2 26 Пояснение к фрагменту 2 : Всо 35 стояние входов 26-41 1-й группы входов КС 34,03. т.е, Я выдача "1" напервый выход40элементаКС 35.04, т.е.запуск ЦСС 5 МЧ 1 А)ООТ СТОЯ+2 ньтразрешение пре 5 рывания и ожидание прерывания от АЦП 4 Пояснение к фрагменту 2: при полу 50чении "запроса прерывания" от АЦП 4выполняется программа обработки прерывания, состоящая из одной команды;ЕТ, т,е, происходит возврат в основную программуЬХ 1 Д,ф; ДЕ;:МЧ 1 С,63 С: 63 - текущий номервхода элементаКС 34,03 МОЧ А, С 1 ОУТ 1 ЯОЯ+11 Я 1 ЯОЯ+1 АН 1 21)Н 12 М 2 проверка состоя 15 ния опрошенного входа и переход, если вход находится в состоянии20 М 4: 0 СК СМЧ 1 А,55СМР С1 М МЗ: переход, если текущий номер входа 56Пояснение к фрагменту 2: Д: состояние входов 63-56 М 5: МОЧ А,ЕЮСМОЧ Е,АМОЧ А,СО 1 Т 1 ЯОЯ+11 Я 1 Я 0 Я+1АЯ 1 2 фН12 М 61 ЯК ЕМ 62 0 СК СМЧ А,47СМР С1 М М 5 перех.,если текущий номер)входа 48Пояснение к фрагменту 2:а) Е:=состояние входов 55-48б) ДЕ:=состояние входов 48-63второй группы входов элементаКС 34.03, т.е. Я ц,ХВА А выдача "0" наОТ ОСТОЯ+2 второй выход эле.мента КС 35,04,т.е. сброс счетчика 12 и блокировка ЦСО 53-й фрагмент: вычисление Я о, поизвестным Я с, ) Я г 1)) А, Вывод Я; =М 8 ПСК СМ 71 А,63СМР С1 М М 7; переход, если текущийномер входа64,Пояснение к фрагменту 3: В:= состояние входов 71-64 третья группавходов элемента КС 34.03, т,е. ДТМР АИА.1; переход на анализ составления входа "Раб,/ост,"Поясним функционирование предлагаемого устройства следующим цифровымпримером .Пусть 1,10 В, число разрядов"точной" шкалы ш=ц,=10. Пустьосуществляется ступенчатая аппроксимация входного сигнала, т.е. р=О.Примем также следующие значения параметров преобразователя:е,=5 10 с; ес =1 ОО 10 с;(2+ +ст,+Т)= 10 с.На вход преобразователя поступает входной сигнал =5,5 В, и приэтом с выхода преобразователя 6 погрешности аппроксимации снюиется погрешность аппроксимации Ьс,т =10 .Элемент 11 управления считывает значение Д.а =1 О и запоминает текущеезначение Б. Затем по формуле (5) вычисляет., = 8.Затем с помощью шифратора 13 элемент 11 управления подключает выходключа 14 к третьему входу счетчика 2(первый вход соответствует ц =10, втотрой (Чс)=9 и т,д.), для чего в регистр записывается следующая информация - 001000Стробируется АЦП 4. В результатеполучается кодБ = - 2=8 =100015 5 4 Г. 1 о1 О акоторый и поступает в оперативноезапоминающее устройство 9 в качествепервого сомножителя для определениясои и И, . На этом первый тактпреобразования заканчивается,На втором такте определяется Мт ,Элемент 11 управления через ключ14 подает тактовые импульсы на входсчетчика 12 через шифратор 13, пред"варительно открыв ключ 14 командойчерез элемент 8 вывода дискретных сиг.капов 4 блок 5 сравнения,Так как импульсы поступают на третий вход счетчика 12, то каждый импульс вызывает приращение Мс на чеМ+1024Переключение младшего разрядапосле 26 импульсов фиксируется блоком 5 сравнения, который закрывает20 ключ 14. Двоичный код счетчика.12,равный 4 26 =104 =00011-1000 , пос"туцает в оперативное запоминающееустройство 9 через элемент 8 вводадискретных сигналов, и элемент 11управления по формулам (8) и (6) определяет И8104 024 08125 1 8 8251который соответствует напряжению30 55078 ВПреобразование закончено,При Да н=10 получаем Чсо, "8 поэтому интервал Д 1, определяемый иэ=1,171 1 О стак какКр М+ Д с45 Х Макс то Кр М р Дащ к макс Дот 1 171 10 = 85,39 с 50 Определив этот коэффициент, связывающий Ьаи Ь й, может найти Д адля любых значений ц . Вычисляя Ь55 по формуле (1) при различных значениях сс получаемЬ (О) =1,34-10; Д(9) 1,701 О ; д(8) =1,159-10; Ь(7)=1, 30 - 10тыре единицы. Счетчик 12 управляетцифровым делителем 3, коэффициент деления которого, определяемый по формуле (9), начинает возрастать, а напряжение.У, на входе АЦП 4 уменьша 3ется до тех пор, пока не произойдетизменение в младшем разряде АЦП 4,М = -л - " 5,4787 В;5 510 ЧА 4143 7997 Таким образом, ц =8 действительно дает наименьшее значение Ь , а по сравнению со случаем 1 =10 (устройстсво без адаптации) приведенная суммар 5 ная погрешность уменьшается в 1,15 раза, Увеличение Ь, для устройства . без,адаптации "физйчески" объясняется тем, "что увеличивается погрешность аппроксимации вследствие увеличения 10 времени преобразования, которое определяется значением числа разрядов счетчика (1), равным десяти. Для не- адаптивного преобразователя время преобразования больше. 15 Формула изобретения 1, Адаптивный аналого-цифровой преобразователь, содержащий управля емый цифровой делитель, счетчик им. пульсов, ключ аналого"цифровой преобразователь считывания, элемент управления, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом младшего разряда аналого-цифрового преобразователя считывания, вход которого подключен к выходу управляемого цифрового делителя, управляющие входы которого соединены с соответствующими информационными выходами счетчика импульсов, выход блока сравнения подключен к управляющему входу ключа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразова ния за счет адаптивного изменения числа разрядов преобразователя в зависимости от.скорости изменения входного сигнала, в него введены шифратор, преобразователь погрешности аппрокси мации, элемент ввода дискретных сигналов, элемент вывода дискретных сигналов, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, тактирующий выход элемента 45 управления соединен с информационным входом ключа, выход которого сое.динен с управляющим входом шиф. ратора, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами первой группы выходовэлемента вывода дискретных сигналов,второй вход блока сравнения объеди 12нен с входом обнуления счетчика импульсов и подключен к второму выходуэлемента вывода дискретных сигналов,информационные входы счетчика импульсов подключены к соответствующим выходам шифратора, информационные выходы аналого-цифрового преобразователя считывания соединены с соответствующими входами первой группы входовэлемента ввода дискретных сигналов,входы второй группы входов которогообъединены с соответствующими управляющими входами управляемого цифрового делителя, информационный вход которого соединен с аналоговым выходомпреобразователя погрешности аппроксимации, информационный вход которогоявляется входной шиной, управляющийвход соединен с третьим выходом элемента вывода дискретных сигналов, аинформационные выходы подключены ксоответствующим входам третьей группывходов элемента ввода дискретных сигналов, четвертый вход которого является шиной управления, а пятый входподключен к выходу блока сравненн."входы-выходы элементов ввода и вывода дискретных сигналов, постоянногозапоминающего устройства, оперативного запоминающего устройства и элемента управления объединены,2, Преобразователь по п.1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что преобразователь погрешности аппроксимации выполнен на последовательносоединенных аналоговом ключе, аналоговом запоминающем устройстве, блокевычитания, блоке выделения модуля,аналого-цифровом преобразователе, выходы которого являются соответствующими информационными выходами преобразователя погрешности аппроксимации,аналоговым выходом которого являетсявыход аналогового запоминающего устройства, второй вход блока вычитанияобъединен с информационным входоманалогового ключа и является информационным входом преобразователя погрешности аппроксимации, управляющимвходом которого является управляющий вход аналогового ключа, 14379971 л 37997 ставитель Ю,Спиридоно хред М.Дидык Т.Парфенова орректорА Обр Заказ 596 ул. Проектная, л роизводственно-полиграфическое предприятие, г. У ВПИИПИпо д13035, Мо Тираж 929 Подписиосударственного комитета СССРлам изобретений и открытийква, Ж, Раушская наб., д, 4/