Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1984 года по МПК H03K13/17 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах преобразования измерительной информации с повышенными требованиями к точности Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого соединен со входной шиной, а второй вход - через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь вычислитель, основной аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом компаратора l . Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала,первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналогоцифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления. первые выходы которого соединены со ответственно с управляйщими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного ана лого-цифрового преобразователя, ариф метического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя 2 . Недостатком известного преобразователя является сравнительно большая погрешность дискретности, которая ог раничивается разрядностью основного АЩ. В преобразователе недостижимы одновременно требования высокого подавления синфазных напряжений и шумов и требования малости напряжения смещения и входных токов. Снижение действия входного синфазного напряжения в схеме возможно, если период частоты зтого напряжения намного превышает время преобразования АЦП. В зтом случае входное синфазное напряжение вносит погрешность,знак которой не зависит от полярности . входного напряжения. Так как абсолютные значения этих погрешностей на первом и втором тактах весьма близки, они практически полностью взаимно уничтожаются. При повьпиении входного синфазного напряжения появляется необходимость уменьшать время преобразования АЦП. Сокращение этого времени способствует также снижению действия П1умов вход- ньк цепей основного АЩ (например, его входного усилителя) на результат преобразования. Это связано с переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, сво бодную от действия низкочастотных шумов. Однако сокращение времени п|)еобразования АЦП вынуждает использовать быстродействующие юпочи, например ключи на полевых транзистоipax, для которых характерны большие значения входных токов. Так, например, для юшчей коммутатора N590 КН-2 ток Утечки З.,т открытого канала достигает значёния 100 нА. К этому значению следуег прибавить ток перезаряда кйжзлектродных емкостей J VC4,i,r где С - значение емкостиJ Y(j - значе1гае управлякяцего напряжения J частота переключения. При { 10 кГц, пФ, Уц 10В, .i i ,„.« -з „ „ „ э iJ(j I мкА. Эти токи, протекая через собственное сопротивление ключа г, вносят погрешность V,; равную Vk,,,Ucny,) и достигаюис ю при Р «200 рм значения 220 мкВ. Так как д , 3, иЗцт на первом и втором тактах вносятся разными элементами, взаимной компенсации погрешностей не происходит. Результирующая погрешность Vpjj см |{Ли А.г ) где У:|,Д и VKA значения погрешностей V . соответствующих 1-му и 2-му тактам, эквивалентна погрешности смещения АЦП и может достигать значения V . Столь высокое значение погрешности исключает возможность применения указанного преобразователя для преобразования сигналов низкого уровня при высоких требованиях к ослаблению действия входных синфазных напряжений и шумов. Целью изобретения является повышение точности преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основ- ной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого со31единены соответственно с управляющими входами первого управляемого пере ключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выхо дом основного аналого-цифрового преобразователя, введены К -1 управляемых переключателей полярности напряжения, N источников напряжения, определитель вида операции и Н сумматоров, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего источника напряжения, а второй вход каждого i -го сумматора соединен с выходом каждого « -го управля емого переключателя полярности напря жения, а выход, кроме первого сумматора, соединен с входом каждого «-1 управляемого переключателя полярности напряжения, вход последнего из которых соединен с выходом источника входного сигнала, причем вторые выходы блока управления соединены.с управляющими входами Н -1 управляемых переключателей полярности напря жения и N -1 входами определителя вида операции, вход которого соединен с управляющим входом первог управляемого переключателя полярности напряжения, а выход - с вторым входом арифметического устройства, при этом выход первого сумматора сое динен с входом аналого-цифрового пре образователя. На фиг.1 представлена структурная электрическая схема преобразователя; на фиг.2 - передаточная характеристи ка основного АЩ. Преобразователь содержит источник 1 входного сигнала, первый управляемый переключа ель 2 полярности напря жения, основной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, арифметичес кое устройство 4, блок 5 управления, определитель 6 вида операции, источник 7 напряжения, генерирующий напряжения q/-A, где С1 -шаг шкалы, сумматор 8,управляемый переключатель 9 полярности напряжения,, источник ТО напряжения, генерирующий напряжения /8, сумматор 11, управляемый переключатель 12 полярности напряжения, источник 13 напряжения, генерирующий напряжение С /2 , где N - число сумматоров, сумматор 14. Источник 1 подключен ко входу N-1-го управляемого переключателя 12, которого соединен с первым 0А входом N -го сумматора 14. Второй вход N -го сумматора 14 соединен с М-м источником 13. Выход сумматора 14 соединен со входом N -2-го управляемого переключателя полярности напряжения (не показан). Выход первого управляемого переключателя 9 соединен с первым входом второго сумматора 11, второй вход которого соединен со вторым источником 10.. Выход второго сумматора 11 соединен со входом управляемого переключателя 2, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 8. Второй вход сумматора 8 связан с первым источником 7 (1апряжения. Выход первого сумматтора 8 соединен со входом основного АЦП 3, выход которого соединен . со входом арифметического устройства 4. Управляющие входы управляемых переключателей полярности напряжения (показаны переключатели 2,9 и 12), основного АЦП 3 и вход связи с арифметическим устройством 4 соединены с блоком 5. Входы определителя 6 соединены с управляющими входами управляеьвлс переключателей 2, 9, 12 и других. Определитель, 6 подает на вход управления видом операции арифметического устройства 4 первый управляющий сигнал, например логическую единицу, если число управляемых переключателей полярности напряженяя, находящихся во втором состоянии, четно, или второй управляющий сигнал, например логический ноль, если число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии, нечетно. При первом сигнале на вьосоде управления видом операции ар1 нетического устройства 4 код, имекмцийся на его входе, после команды от блока S прибавляется к ранее накопленной сум« ме. При втором сигнале на входе управления видом операцци арифметического устройства 4 код, имею1цийся на его входе, после команды от блока 5 вычитается из ранее накопленной сукмы. Результат преобразования АЦП фор мируется на выходе арифметического устройства 4 в соответствии с формулой, 1 JL - .л где LI - результат i -го преобразования основного АЦП 3; Ч - число преобразований основного АЦП;

n - число управляемых переклуочателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии при выполнении 1-го преобразования основного АЦП 3.

Процесс Лреобразования А1Щ зависит от того, какие именно преимущест ва (снижение погрешности дискретности, В1УМОВ, действия входных синфазных напряжений) должны быть реализованы. Снижение погрешности дискретности 3 2 раз при одновременном ослаблении действия входных синфазных напряжений и шумов достигается при вьтолнении приведённой ниже последовательности действий.

Процесс преобразования состоит из одного вспомогательного такта и N тактов. На вспомогательном такте по команде с блока 5 в арифметическое устройство 4 записывается иоль, а управляемые переключатели полярности напряжения устанавливаются в первое состояние. Каждый такт состоит из трех подтактов. На первом подтакгте первого такта 1, в формуле (1) по команде с блока 5 основной АЦП 3 осуществляют преобразовани имеющегося у него на входе напряжения в код ц . На выходе арифметического устройства А при зтом возникает код L, . На втором подтакте по команде с блока 5 первый управляемый переключатель 2 переходит во второе состояние f 2, « 1 в формуле (1) , и основной АЦП 3 преобразует имеющееся у него на входе напряжение в код выходе арифметического устройства 4 при зтом возникает код 1/2 ( На третьем подтакте первого такта управляемый переключатель 2 по команде с блока 5 устанавливается в первое состояние. На первом подтакте второго такта по команде с блока 5 первый управляемый переключатель 9 переходит во второе состояние. На втором подтакте второго такта повторяются операции первого такта. На выходе арифметического устройства 4 при зтом возникает код 1/4 (L -Lj -Lj+L.), где Lj и Ly - коды на выходе основного АЦП 3 на втором подтакте второго такта. На третьем подтакТе второго такта по команде с блока 5 первый управляемьй переключатель 9 переходит в первое состояние. На первом подтактеt-го,

например N-го, такта по команде с блока 5 N-1-й управляемый переключатель полярности напряжения (например, N -1-й управляемый переключатель 12) переходит во второе состояние На втором подтакте4 -го такта повторяются предыцулще i -I тактов в произвольной (например, начиная с 1-го и кончая i тактом) последовательности. На третьем подтакте -гo такта по команде с блока 5 N-1-й управляемьй переключатель полярности напряжения переходит в первое состояние. В процессе выполнения зти действий на вкоходе АЦП формируется код L

rtt

Г

иг.ИЧ;, 2 Si

(2)

являющийся результатом преобразования АЦП.

Работа АЦП поясняется для случая . В зтом случае переключатели 9 и 12, источники 10 и 13, сумматоры 11 и 14 (фиг.1) отсутствуют, и преобразуемое напряжение поступает на управляемьй переключатель 2, а функционирование АЦП ограничивается вспомогательным и первым тактами.

На первом подтакте первого такта на вход основного АЦП 3 поступает напряжение, равное 1 V to/4, где V значение преобразуемого напряжения, на втором подтакте первого такта на вход основного АЦП 3 поступает напряжение, равное 7 V 4 а /4 .На выходе основного АЦП 3 при зтом появляются Коды L, и Uj соответственно. Возникающий на выходе арифметического устройства 4 код L (L,-l) характеризуется вдвое меньшей погрешностью дискретности, чем погрешность дискретности основного АЦП 3. Это следует из рассмотрения передаточной характеристики основного АЦП 3 (фиг.2, кривая 15). Действие первого источника 7 напряжения эквивалентно смещению передаточной характеристики основного А1Щ 3 на /4. По мере увеличения V от значения, равного нулю, значение L,- Ь на выходе арифметического устройства 4, равное 1, достигается при (/4 ,/4 .значение, равное 2, достигается при . Таким образом, код Ц- 4л имеет дискретность, равную /2, т.е. вдвое меньшую, чем дискретность, основного АЦП 3. Это дает возможность рассматривать устройство, содержащее переключатель 2, преобразователь 3, устройство 4, блок 5, .определитель 6, источник 7, сумматор 8, как АЩ1 с передаточной характеристикой (фиг.2|Кривая 16) и погрешностью дискретности вдвое меньшей, чем у основного. АЦП 3.Прибавление к АЦП, состоящему из указанных элементов, переключателя 9, источника 10 и сумматора 11 снижает погрешность дискретности еще вдвое.

Ослабление действия переменных синфазных входных напряжений и шумов при сохранении точности, характерной для точного и медленнодействукнцего управляемого переключателя полярноети напряжения, связано с возможностью использования в качестве управляемого переключателя 12 полярности напряжения точного и медленнодействующего элемента, построенного, например, на герконах. Управляемый переключатель 2 полярности напряжения при этом должен быть быстродей-ствующим и может вносить значительное напряжение смещения без ущерба для Точности АЦП. Порядок действий может быть упрощен, если достаточно незначительное, например четырехкратное (), снижение погрешности дискретности. В этом случае снижение действия входных синфазных напряжений и шумов достигается выполнением 2-м (М - целое положительное число) преобразований основного АЦП 3 при первом состоянии управляемого переключателя 12 полярности напряжения и 2м преобразований основного А1Щ 3 при втором состоянии этого элемента, причем каждое нечетное пре образование из 2М преобразований соответствует первому, а каждое четное - второму состояниям управляемого переключателя 2. Результат преобразования АЦП в этом случае формируется как сумма 4М кодов, соответству ющих 4м преобразованиям при первом и втором состояниях управляемого переключат ля 12 полярности напряжения. 5 Знаки кодов Li , формирующих в соответствии с (1) результат преобразования АЦП L , определяются в соответствии с изложенным ранее порядком работы арифметического устройства 4

0 и определителя 6 вида. Ослабление действия переменных синфазньк напряжений связано с уменьшением приращения абсолютной погрешности, вносимой переменным синфазным напряжением на

5 интервале двух следукяцих одно за другимпреобразований основного АЦП 3, и со статистическим усреднением этих приращений. Снижение шумов обусловлено их статистическим усреднением

0 и переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, свободную от низкочастотных шумбв.

Использование дополнительных элементов выгодно отличает преобразова5 тель от прототипа, так как при том же наборе элементов за счет использования источников напряжения и сумматоров удается значительно снизить погрешность дискретности, погрешнос0 ти от синфазного сигнала, шумов и входных токов.

Получаемый за счет повышения точности эффект может быть весьма значительньм, ес,ли, например, использовать дешевый АЦП с малым числом разрядов вместо дорогого многоразрядного АЦП. Целесообразность применения предлагаемого АЦП повышается в том

„ случае, если имеется очень точный, но малоразрядный основной АЩ1, изготовленный в виде законченного модуля, причем доступ к его внутренним точкам (например, для подключения дополнительных разрядов АЦП) отсут-.

ствует..

I

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя, отличающийSUai, 1123104 3