Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1986 года по МПК H03M1/26 

11277396

Изобретение относится к цифровой вычислительной к измерительной технике и предназначена для преобразова ния аналоговых величин в цифровые коды.

Цель изобретения - повышение точности за счет улучшения линейности характеристики аналого-цифрового преобразования.

Аналого-цифровой преобразователь должен быть построен на основе избыточных измерительных кодов, например кодов золотой р-пропорции. Примени 0

На фиг. 1 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразова- теля на фиг. 2 - пример реализации тактового генератора , на фиг. 3 - граф-схема алгоритма работы устройства; на фиг. 4 - функциональная схема блока управления.

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. l) содержит входную тину 1, аналоговый коммутатор 2 (АК), первый аналоговый запоминающий элемент, выполненный на конденсаторе (с) 3, усилитель 4, блок 5 сравнения (БС), источник 6 опорного напряжения (ИОН), ключевой элемент 7 (КЭ), второй ана- 25 логовый запоминающий элемент, выполненный на конденсаторе (С) 8, первый блок 9 ключевых элементов (БКЭ), третий аналоговый запоминающий элемент, выполненный на конденсаторе 30 (с) 10, второй блок 11 ключевых элементов (БКЭ), регистр 12 сдвига (РС), блок 13 контроля кодов (БК), регистр 14 последовательного прительно к преобразователям цикличес кого типа с переменным опорным напряжением целесообразно использовать симметричный код золотой р-пропорции. Любое действительное число в таком коде может быть представлено в виде

W-

р

15 где ,lj двоичный коэффициент, причем а.1 соответствует суммированию веса i-ro разряда, а - вы- читанию веса i-ro разряда,

Ыр - вес i-ro разряда, 20 ,1,2,.. /, - параметр кода.

В этих кодах между весами разрядов существуют контрольные соотноше- ния:

oi;.,-ci; 0 j j .-oi,, + uii-, + 0 .

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь работает в двух режимах: режиме преобразования входной аналоговой величины АХ в .симметричный п-разрядный код золотой р-пропорции и в режиме самоповерки.

Преобразование входной аналоговой величины: А.,

JJ в п-разрядный код проис- ближения (РПП), цифроаналоговый пре- f ходит за п тактов, в-каждом из кото- образователь 15 (ЦАП), тактовый ге- рых формируется значение одного разнератор 16(ТГ), выходные шины 17, блок 18 управления (ВУ), входную шину 19 Режим работы, к которой подключен первый вход блока 18. Последний содержит выходы с первого по шестой 20-25, второй вход 26, седьмой и восьмой выходы 27 и 28, третий и чет- вертьй входы 29 и 30, девятьш и десятый выходы 31 и 32, пятый вход 33 и тестой вход, который является шиной Запуск.

Тактовый генератор 16 (фиг. 2) может быть выполнен на компараторе 34 (к), операционном усилителе 35 (ОУ), резисторе (н) 36, конденсаторе (с) 37, ключевом элементе 38 (КЭ).

Блок 18 управления (фиг. 4) выполнен на постоянном запоминающем устройстве 39 (НОМ), первом и втором регистрах 40 и 41 (RG), счетчике 42 пересчета на три (СТ), счетчике 43 тактов (СТт), триггере 44 (Тг), формирователе 45 импульса (F).

ряда выходного кода. Б процессе кодирования преобразуемая аналоговая величина А)( алгебраически суммируется

40 с набором из п эталонных уровней U,., формируемых на запоминаюшем конден- саторе 10. Кодирование входной аналоговой величины Aj производится в соответствии с соотношением

45 и.,-и.-а; и,,; (1-е

-t/

}.

(2)

где и

50

(-, 55

значение преобразуемого напряжения на (i-i-)-M такте преобразования; значение преобразуемого напряжения на i-м такте преобразования; постоянная времени цепи разряда конденсатора 10 на конденсатор 3; длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью управляющего импульса;

Аналого-цифровой преобразователь должен быть построен на основе избыточных измерительных кодов, например кодов золотой р-пропорции. Применительно к преобразователям цикличес кого типа с переменным опорным напряжением целесообразно использовать симметричный код золотой р-пропорции. Любое действительное число в таком коде может быть представлено в виде

W-

р

где ,lj двоичный коэффициент, причем а.1 соответствует суммированию веса i-ro разряда, а - вы- читанию веса i-ro разряда,

Ыр - вес i-ro разряда, ,1,2,.. /, - параметр кода.

В этих кодах между весами разрядов существуют контрольные соотноше- ния:

oi;.,-ci; 0 j j .-oi,, + uii-, + 0 .

Предлагаемый аналого-цифровой преобразователь работает в двух режимах: режиме преобразования входной аналоговой величины АХ в .симметричный п-разрядный код золотой р-пропорции и в режиме самоповерки.

Преобразование входной аналоговой величины: А.,

JJ в п-разрядный код проис- ходит за п тактов, в-каждом из кото- рых формируется значение одного разряда выходного кода. Б процессе кодирования преобразуемая аналоговая величина А)( алгебраически суммируется

40 с набором из п эталонных уровней U,., формируемых на запоминаюшем конден- саторе 10. Кодирование входной аналоговой величины Aj производится в соответствии с соотношением

45 и.,-и.-а; и,,; (1-е

-t/

}.

(2)

где и

0

(-, 5

значение преобразуемого напряжения на (i-i-)-M такте преобразования; значение преобразуемого напряжения на i-м такте преобразования; постоянная времени цепи разряда конденсатора 10 на конденсатор 3; длительность процесса перезаряда, определяемая длительностью управляющего импульса;

а- - выходной сигнал блока 5

сравнения,определяемый выражением:

а , .

(3)

Длительность управляющего импульса выбирают такой, чтобы значения напряжений ( 1-е ) были пропорциональны весам разрядов кода золотой р-пропорции. Результат преобразования формируется на основании последовательности выходных сигналов а- блока 5 сравнения.

i

В режиме преобразования 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 анаЛ

логовый коммутатор 2 передается на запоминающий конденсатор 3, который заряжается до напряжения Uj , пропорционального входному аналоговому сигналу Ау. Запоминающие конденсаторы 8 и 10 заряжаются через ключевой элемент 7 и второй блок 11 ключевых элементов до напряжения UQ от источника 6 опорного напряжения. Напряжение и, 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 (З). Причем значение а 1 соответствует суммированию первого эталонного уровня U,jj,,H преобразуемого напряжения ll, в следующем такте преобразования, а значение а,1 - вычитанию эталонного уровня U, и преобразуемого напряжения U, . Значение разрядного коэффициента а заносится в сдвиговый регистр 12.

На втором такте в соответствии с соотношением (2) формируется напряжение Uj на конденсаторе 3 следующим образом. Конденсатор 10 включается через блок 9 ключевых элементов в цепь обратной связи усилителя 4 таким образом, чтобы обеспечивалась подача напряжения U., обратной полярности на конденсатор 3. В результате на конденсаторе 3 формируется напряжение

-t/C,

и,-и,-а, ц,., (1-е

),

773964

где Z 7 постоянная времени цепи раэ- ряда конденсатора 10 на конденсаторе 3;.

t - длительность процесса пере- с заряда, определяемая длительностью управляющего импульса.

На конденсаторе 10 сформируется напряжение U , U . На выходе

Ci| О 1,1

fO блока 5 сравнения в соответствии с условием (З) формируется значение второго разрядного коэффициента а выходного кода, которое записьгоаетея в сдвиговьй регистр 12.

f5 Затем по команде блока I8 управления формируется второй эталонный:- уровень Ug следующим образом. Кон- денсаторы 8 и 10 включаются параллельно через блок 11 ключевых эле20 ментов. В результате происходит перераспределение заряда между конденсаторами 8 и 10 таким образом, что на конденсаторе 10 установится напряжение второго эталонного уровня

25 „ „ ,....,. --t ,. r b/fa . --f-/.

U,,,.,(l/K{l-e )(l-e ,c

)+e

где V, - постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 8 и 10;

-постоянная времени цепи перезаряда конденсаторов 10 и 3;

К - коэффициент, связьшакщий величины конденсаторов 8 и 10; - .

К - 9

t - длительность процесса пере- ,Q заряда, определяемая длительностью : управляющего импульса.

На третьем такте аналогичным об- разом формируется напряжение

..(

на конденсаторе 3. На конденсаторе 10 сформируется напряжение

тт -TI Uc.m-U,T2

На выходе блока 5 сравнения в соответствии с условием (з) формируется значение третьего разрядного коэффициента а- выходного кода, которое записывается в сдвиговый регистр 12. Затем с помощью блока 18 управления, блока 11 ключевых элементов, запоминающих конденсаторов

U,T.rU,,.,.

(l/K()(

8 и 10 формируется напряжение треть го 1эталонного уровня

в остальных (п-3)х тактах устройство работает аналогичным образом. По истечении п тактов преобразования в регистре 12 сформируется симметричный п-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 конд.енсагорв 8, 10 и 3, приводит к возрастанию погрешности линейности преобразователя . .

В режиме самоповерки подбирают частоту импульсов тактового генератора 6, обеспечивающую преобразование входной аналоговой величины А в код с заданной погрешностью линейности. Процедура самоповерки заключется в многократном кодировании эталонного вспомогательного сигнала значение которого равно А 0.

эт

В результате

кодирования эталонного вспомогательного мируется условие: Г. .

сигнала А. форгде

у

f.

1. f-,f,

, «i

(4)

f J-ot,

текущее значение частоты тактового генератора 16; частота импульсов тактовот го генератора 16, обеспечивающая преобразование входной аналоговой величин Ау в код с заданной погрешностью линейности. Управление частотой тактового генератора 16 осуществляется в соответствии с условием (4) с помощью цифроаналогового преобразователя 15 и регистра 14 последовательного приближения.

В режиме самоповерки устройство ра&отает 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 пре

5

0

образуется цифроаналоговьм .преобразователем 15 в аналоговый сигнал, управляющий частотой тактового генератора 16. В результате на выходе тактового генератора 16.устанавливается частота f, следования импульсов. Затем конденсаторы 8 и 10 заряжаются до напряже :ия источника 6 опорного напряжения. На запоминающий конденсатор 3 через второй вход аналогового коммутатора 2 подается эталонный вспомогательный сигнал . В результате конденсатор 3 заряжается до напряжения . Затем блок 18 управления -генерирует набор микрокоманд, обеспечивающий преобразование напряжения Uf в код описанным способом. Блок 13 контроля, анализирует кажд1,1е три разряда выход- {юго кода, формирующегося В сдвиговом регистре 12. Причем, если погрешность линейности преобразователя не/ превьш1ает заданной величины, т.е. частота тактового генератора

- (

- f, то в выходном коде будут

присутствовать только разрешенные кодовые комбинации вида 111 и

ft0

1 I 1 pa

Если частота тактового генератоf,

0(.

тс в выходном коде по5

0

явятся запрещенные кодовые комбинации, на что укажет выходной сигнал блока 13 контроля. Если f,f., то в запрещенной кодовой комбинации сформируется значение старшего разряда . Если f, fj, то в запрещенной кодовой комбинаг.ии сформируется значение старшего разряда у-1, которое поступает на D-вход регистра 14 последовательного приближения.

Во втором такте самоповерки по сигналу блока 18 управления в регистре 14 последовательного приближения устанавливается в единичное состояние более младший разряд. При этом старший разряд остается в единичном состоянии, если , и обнуляется, если . Полученная кодовая комбинация преобразуется цифроанало- говым преобразователем 15 в анало говый сигнал, управляющий частотой - тактового генератора 16. На выходе тактового генератора 16 устанавливается частота fj следования импульсов. Затем процесс кодирования эталонного

5 вспомогательного сигнала Ад-.повторя- ется.

Процедура самоповерки заканчивается, когда частота тактового генератора 16 будет равна , т.е. в

5

0

7

выходном коде будут присутствовать только разрешенные кодовые комбинац вида Tl1 и 111.

Алгоритм функционирования предлагаемого устройства в соответстви с приведенным описанием работы приведен на фиг. 3, где обозначено: вершина 1 « начальная установка PC 12 и РПП 14;. веритны 2 и 3 - заряды запоминающих конденсаторов 8 и 10. от источника опорного напряжения (ион) 6; верргины 4-7 - кодирование вхрдной измеряемой величины АХ или

вспомогательного сигнала А верцгады которого подключены к седьмому восьмому выходам блока управления, выходы являются выходными шинами,в ходы трех младших разрядов подключ

на 8 - переключение разряда в регистт 15 ны к соответствующим входам блока ре 14 последовательного приближения и организации временной задержки с , необходимой для установления переходных процессов на выходе цифро- аналогового .преобразователя 15 и тактового генератора 16;

Необходимые для управления функционированием аналого-цифрового преобразователя управляющие и условные сигналы приведены в таблице.

20

контроля кодов, выход которого под ключен к третьему входу блока упра ления, отличающийся те что, с целью повьшгения точности за счет улучшения.линейности, характер тики аналого-цифрового преобразова ния, введены тактовый генератор,ци роаналоговый преобразователь, реги последовательного приближения, ин25 формационный вход которого подключе к третьему младшему разряду регист ра сдвига, а первые выходы подключ ны к соответствующим входам цифро- аналогового преобразовател я, выход

Формула изобретения

1. 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 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.

- Режим

подключены к соответствующим информа- гд ключен к выходу переполнения счетчика пересчета на три, четвертый адресный вход является третьим входом блока управления, пятый адресный вход подключен к выходу переполнения ег счетчика тактов, шестой адресный

вход является пятым входом блока управления, адресные входы с седьмого по десятый подключены к соответствующим выходам второго регистра, выхоционным 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 подклю чены к соответствующим информационным входам первого блока ключевых элементов.

между которыми включен третий аналоговый запоминающий элемент, первый выход первого блока ключевьгх элементов подключен к входу усилителя, второй выход объединен с выходом усилителя и подключен к входу блока сравнения, выход которого подключен к второму входу блока управления и к информационному входу регистра сдвига, первый и второй управляющие входы которого подключены к седьмому и восьмому выходам блока управления, выходы являются выходными шинами,выходы трех младших разрядов подключены к соответствующим входам блока

контроля кодов, выход которого подключен к третьему входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повьшгения точности за счет улучшения.линейности, характеристики аналого-цифрового преобразования, введены тактовый генератор,циф- роаналоговый преобразователь, регистр последовательного приближения, информационный вход которого подключен к третьему младшему разряду регистра сдвига, а первые выходы подключены к соответствующим входам цифро- аналогового преобразовател я, выход

которого- подключен к входу тактового .генератора, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, девятый и десятый выходы которого подключены к первому и второму управляющим входам регистра последовательного приближения, второй выход которого подключен к пятому входу блока управления, шестой вход которого является шиной Запуск,.

2. Преобразователь по п..1, отичающийся тем, что, блок управления вьшолнен на первом и втором регистрах, триггере, формирователе импульса, счетчике пересчета на

три и счетчике тактов, постоянном запоминающем устройстве, первь й и второй адресные входы которого являются первым и вторым входами блока . управления, третий адресный вход под91

ды с первого по четырнадцатый подключены к соответствующим информационным входам первого регистра,выходы с пятнадцатого по восемнадцатый подключены к соответствующим информационным входам второго регистра,первый управляющий вход которого является шестым входом блока управления, второй управляющий вход подключен к инверсному выходу триггера и к его информационному входу, первый управ- ляющий вход которого является чет- BepTbW входом блока управления,второй управляющий вход подключен к выходу формирователя импульса, прямой

19 XI Режим

226 Х2 Сигнал БС 5

3ХЗ Сигнал переполнения СТэ 42

429 Х4 Сигнал БК 13

Х5 Переполнение СТт 43

Сигнал РПП 14 Нач. уст. PC 12 Нач. уст. РПП 14 Коммутация АК 2 Коммутация КЗ 7 Коммутация БКЭ 11

У6Нач. уст. СТт 43

21 У7Коммутация АК 2

У8 Нач. уст. СТ, 42

28 У9Сдвиг в PC 12

У10Счет СТт 43

7739610

выход подключен к управляющему входу первого регистра, первый и второй выходы которого лодклк1чены соответственно к счетному и управляющем/у,:вхог- 5 дам счетчика пересчета на три, тре- тий и четвертый выходы подключены соответственно к счетному и управляющему входам счетчика тактов, выходы с пятого по четырнадцатый являются 10 соответственно шестым, пятым, вторым, девятым, восьмым, первым, седьмым, третьим, четвертым и десятым, выхода:- ми блока управления, при этом четьф- надцатый выход первого регистра под- 15 ключен к входу формирователя импульса.

- режим преобразования

-

- анализ вых. сигнала БК 13

- расстройка преобразователя

конец кодирования

конец самоповерки

п

коммутация А за15яд С 8 от ИОН 6

перезаряд С 8 и

коммутация А. 0

СТт: СТт+1

УМ Счет СТ 42

22У12 Разряд С 10 на

С 3

23У13 Разряд С 10 на

:С 3

32У14 . Сдвиг РПП 14

Запусн

1

- ,+1

У - и.+и,, - U,.-Ug,.; - Prm: LJPIin

фиг.

Изобретение касается преобразования аналоговых сигналов в цифровой код. Изобретение позволяет повысить точность за счет улучшения линейности характеристики. Особенность предложенного технического решения заключается в использовании избыточных измерительных кодов для коррекции линейности характеристики преобразования, которая осуществляется с помощью введенных регистра последовательного приближения, цифроаналогово- го преобразователя и тактового генератора, частота которого, в режиме самоконтроля регулируется с целью обеспечения заданных требований по линейности преобразования. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. (Л о со со Од

36

J7

J5

-О

J4

-

iffrtfp.

дзие.г

Начало

С 7(ойец )

фиг.З