Цифроаналоговый преобразователь и способ его настройки Советский патент 1987 года по МПК H03M1/66 H03M1/10 

113

Изобретение относится к области автоматики и импульсной техники и может быть использовано в цифровых измерительных системах.

Цель изобретения - повышение точности преобразования и повышение точности настройки цифроаналогового преобразователя.

На фиг.1 приведена функциональная схема цифроаналогового преобразователя; на фиг.2 - схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа настройки.

Цифроаналоговый преобразователь (фиг,1) содержит аналоговый вход 1, выходную шину 2, дополнительную выходную шину 3, шину 4 нулевого потенциала, первый 5 и второй 6 преобразователи тока в напряжение, резисторы 7.1-7.П-1 связи, первые 8.1-8.П и вторые 9.1-9.П коммутационные резисторы 2R, элементы 10.1-10.П коммутации, выполненные на первых 11.1-ll.n и вторых 12.1-12.п ключах, группу ключей 13.1-13.П, дополнительный резистор 0,2 R связи 14, первый 15 и второй 16 согласующие резисторы 2R, первый 17 и второй 18 дополнительные ключи, первую 19.1-19.п, вторую 20.1- 20.п, третью 21. группы цифровы входов-, первый 22 и второй 23 управляющие входы.

Устройство, реализующее предлагаемый способ настройки (фиг.2), содер- жит настраиваемый 24 и вспомогательный 25 цифроаналоговые преобразователи, генератор 26 одиночных импульсов, блок 27 управления ключами, источник 28 тока, переключатель 29, сдвоенный переключатель 30, цифровой измери- тельньш прибор 31, блок 32 согласования, электронную вычислительную машину 33 (ЭВМ), блок 34 печати.

Цифроаналоговый преобразователь ра ботает следующим образом.

В рабочем режиме вторые ключи 12.1 12.п в элементах 10.1-10.п разомкнуты второй дополнительный ключ 18 замкнут первый дополнительный ключ 17 разом-, кнут, на первые цифровые входы 19.1- 19.П подается преобразуемый код, на третьи цифровые входы 21.1-21.П - код инверсный преобразуемому, на аналого- вый вход 1 - эталонный ток или напряжение, при этом на выходной шине 2 формируется напряжение, пропорциональное преобразуемому коду.

142

Способ настройки цифроаналогового преобразователя заключается в следующем.

Вначале производят вьфавнивание В6ШИЧИН сопротивлений всех коммутируемых ветвей в настраиваемом 24 и вспомогательном 25 цифроаналоговых преобразователях, причем выравнивание величин сопротивлений вспомогательного цифроаналогового преобразователя осуществляют только один раз при введении его в схему найтройки, в дальнейшем выравниваются величины сопротивлений коммутируемых ветвей только у настраиваемых цифроаналоговых преобразователей. На аналоговьй вход настраиваемого 24 и аналогичного вспомогательного 25 цифроаналоговых преобразователей подают стабильный ток от генератора 28 тока. Переключатели 29 и 30 устанавливают в положение, обеспечивающее подключение выходных шин 2 и 3 настраиваемого цифроаналогового преобразователя 24 соответственно к входам -

и + цифрового

измерительного прибора 31., которым измеряют дополнительный сигнал раз- б;1ланса. По импульсу с генератора 26 блок 27 включает ключи 11.1 и 13.1. Изменяя величину сопротивлений коммутационных резисторов 9.1 или 8.1, доб иваются нулевого показания цифрового измерительного прибора 31. По следующему импульсу генератора 26 блок 27 размыкает ключи 11.1 и 13.1 замыкает ключи 11.2 и 13.2 и ключ , который остается замкнутым на всех последующих .этапах выравнивания величин сопротивлений коммутируемых ветвей.

На i-M этапе выравнивания величин сопротивлений коммутируемых ветвей замкнуты ключи 11.i и 13.i и ключи 12.1-12.1-1. После выравнивания величин сопротивлений всех коммутируемых ветвей по импульсу генератора 26 замыкаются дополнительные ключи 17 и 18 и ключи 12.1-12.Пи выравниваются сопротивления ветвей согласующих резисторов 15 и 16. Аналогичным образом при смене положения сдвоенного переключателя 30 выравниваются величины сопротивлений коммутируемых ветвей и ветвей согласующих резисторов вспомог;ательного цифроаналогового преобразователя 25. Дальнейшая настройка цифроаналогового преобразователя 24 производится при положении пе313

реключателей 29 и 30, обеспечивающем подключение выходной шины 2 ЦАП 24 к входу - цифрового измерительного прибора 31, а выходной шины 2 ЦАП 25 к входу + цифрового и змерительного прибора 31, которым будет измеряться основной сигнал разбаланса. В ЭВМ 33 предвар.ительно введены данные для расчета элементов матрицы чувстви- тельности б f резисторов связи . матрицы резисторов ЦАП, который проводится по формулам;

в. 3- -2 -2- (2- + 2( - 1) (1) J-i

9

Тс 3- 2 2

(2

+1), (2) (3)

где ej-j - наддиагональные члены мат- рицы

ет, -3- 2,Г

(1-2- ),

1 диагональные члены матрицыj поддиагональные члены матрицы;номер строки матрицы;

J - номер столбца матрицы.

де

35

130

0 - чувствительность резистора

п

связи 1-го разряда на первом коде

0,j- чувствительность резистора

связи 2-го разряда на первом кoдei

чувствительность резистора связи п-го разряда на первом коде;

чувствительность резистора Q связи 1-го разряда на втором коде-,

б,- чувствительность резистора связи 1-го разряда на п-м

6

Т

fn

йТ

ч

t

т

коде.

Размерность элемента матрицы d, ef мВ/Ом.

Кроме того, в ЭВМ 33 введен алгоритм вычисления исходных данных для подгонки резисторов связи, состоящий из следующих этапов: разделение погрешностей} вычисление матрицы чувствительности резисторов связи, усеченной матрип и диагональной матри- цы; вычисление контрольного и установочного напряжений основного сигнала разбаланса.

Измеряют основной сигнал разбаланса, соответствующий разности выходных

32А

ю

5

20

25

35

30

Q

45

1144

напряжений настраиваемого 24 и вспомогательного 25 ЦАП в рабочем режиме при подаче на их входы с помощью блока 27 соответствующих единичных кодов. Получают ряд величин : (1), JU(2),.. 2iU (п), где ли (К) 4и„ (К) - ли (К), К 1,2,...,п, лПц(К) - абсолютная погрешность К-го разряда настраиваемого ЦАП, -JUg (К) - абсолютная погрешность К-го разряда вспомогательного ЦАП. Затем измеряют основной сигнал разбаланса при подаче на входы ЦАП 25 кодов, инверсных соответствующим единичным, а на входы ЦАП 24 кодов равных им по весу. Получают ряд величин lUjid), 2111(2),.. 21и(К),где 4U (К) ли„(К) -ли(К), К 1,2,...п. На основании полученных результатов измерений на основании соотношений:

гг - 1

4и„(К) 0,5 (ли(К) (i)j +

+ 4U (K)i , -, 4Ub(K) 0,(К) - ли„(1)TlUrf (К).

получают в результате расчета и разделения два ряда погрешностей: один для настраиваемого преобразователя

. .. 24, а другой - для вспомогательного преобразователя 25, - после чего ЭВМ 33 автоматически переходит к расчету контрольного и установочного напряжений для каждого этапа настройки. Для этого.по формулам (1)-(3) вычисляют элементы матрицы чувствительности резисторов связи 8||-. Затем вычисляют усеченную матрицу Cv,s, которую формируют из матрицы б|;) приравнивая к нулю ее поддиагональную часть, а также диагональную матрицу б If , которую формируют из матрицы бТ., приравнивая к нулю ее наддиагональ- ную и поддиагональную части. После этого по формуле

50

ли 1д

5

(4)

вычисляют адекватный вектор искажений /Кл, где для ,

Ui dUj

1д const, вносится

в матрицу.

ди

i-uVn. Записывают выражение в полном виде

ли,, 0 ;4гг+0 ;,.г|- ...+0,vj

Решают систему линейных уравнений, применяя, например, метод Гаусса, и находят истинное значение ее решений, т.е. значения компонент адекватного вектора (Лг, iir.. .гf ) . Находят по усеченной матрице iv f- нейтрализующий вектор отклонений OH

Определяют компоненты вектора dUj, после чего вычисляют установочный (итерационный) вектор отклонений лО. (вектор настроек на каждом коде):

AUy ЛО т dU . (6) Рассчитывают диагональный вектор

отклонений 4U

d4U

(7)

ди,

ди.

ii

и определяют контрольный (базовый) dU( вектор отклонений

йй ли - 4UH +dUji лО + Oj. (8)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Фиксируют результат вычислений с помощью устройства 34 печати в виде таблицы, по которой и производят окончательную настройку цифроаналого- вого преобразователя 24. Подают с выхода генератора 26 одиночных импульсов на вход блока 27 управления ключами последовательные одиночные сигналы, под воздеййтвием которых последний формирует единичные коды (начиная с младших разрядов), которые поступают на управляющие входы настраиваемого 24 и вспомогательного 25 цифроаналого- вых преобразователей. Настройку ведут пошагово, на каждом единичном коде. При этом на каждом шаге перед тем,- как начать настройку, убеждаются в том, что текущее значение напряжения, зафиксированное на данном коде цифровым измерительным прибором 31, равно вычисленному контрольному лVf(.i) на этом же коде. Если напряжение не равно контрольному с точностью до возможных отклонений, повторяют процесс настройки.

Шаг 1-й. Заносят в настраиваемый преобразователь 24 код 0...001. Фиксируют результат измерения цифровым измерительным прибором 31. Сравнивают его с вычисленным контрольным значением напряжения U . Изменяют сопротивление дополнительного резистора 14 связи (например, с помощью лазерной подгонки) до тех пор, пока показания измерительного прибора 31 не будут соответствовать величине

Шаг 2-й. Заносят в настраиваемый преобразователь 24 код 0...010. Фиксируют результат измерения цифровым измерительным прибором 31 и сравнива- ют его с вычисленным контрольным зна-,

чением напряжения ли . Изменяют сопротивление резистора 7.12 связи до тех пор, пока показания измерительного прибора 31 не будут соответствовать величине 4, .

Аналогичным образом выполняют настройку на всех последующих шагах (в нашем случае их 13). Устанавливают на последнем шаге подстройкой резистора 7.1 связи значение напряжения , что свидетельствует о том, что погрешности скомпенсированы и цифроаналоговый преобразователь 24 настроен.

Применение изобретения позволяет повысить точность цифроаналогового

713241

преобразования и точность настройки ЦАП за счет компенсации разности проходных сопротивлений соответствующих ключей в рабочем режиме и осуществления контроля за правильностью процесса настройки.

Формула изобретения

1. Цифроанашоговый преобразователь содержащий матрицу резисторов типа , вьтолненнуго на первом согласующем резисторе, п-1 последовательно соединенных резисторах связи, где п - число разрядов преобразуемого кода, вывод первого из которых является аналоговым входом цифроаналого- вого преобразователя; п первых коммутационных резисторах, первые выводы п-1 из которых подключены к первым выводам соответствующих резисторов связи, а первый вывод п-го коммутационного резистора подключен к второму выводу (п-1)-го резистора связи, вторые выводы п первых коммутационных резисторов подключены к аналоговым входам п соответствующих элементов коммутации, первые управляющие входы которых являются соответствую- щими входами первой -группы цифровых входов цифроаналогового преобразователя, первые выходы объединены и подключены к входу первого преобразователя тока в напряжение, выход которого является выходной шиной, вторые выходы элементов коммутации .объединены и подключены к шине нулевого потенциала, отличающий с я тем, 4to, с целью повышения точности преобразования, введены группа из п ключей, первый и второй дополнительные ключи, п вторых коммутаци-: онных резисторов, второй согласующий резистор, дополнительный резистор связи, второй преобразователь тока в напряжение, а каждый элемент коммутации выполнен на первом и втором ключах, аналоговые входы которых объединены и являются аналоговым вхо- дом соответствующего элемента коммутации, выходы первого и второго ключа являются соответствующими выходами соответствующих элементов коммутации, управляющий вход первого ключа является первым управляюш им входом соответствующего элемента коммутации, а управляющие входы вторых ключей элементов коммутации являются соот

0

5 0 25 0 Б 0 45 JQ ее

14

ветствующими входами второй группы цифровых входов цифроаналогового преобразователя, при этом выход первого дополнительного ключа подключен к входу первого преобразователя тока в напряжение, управляющий вход первого дополнительного ключа является первым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход подключен к первому выводу первого согласующего резистора, второй вывод которого через дополнительный резистор связи подключен к второму выводу (п-1)-го резистора связи, а через второй согласующий резистор к аналоговому входу второго дополнительного ключа, управляющий вход которого является вторым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, выход объединён с выходами п ключей группы и подключен к входу второго преобразователя тока в напряжение, выход которого является дополнительной выходной шиной, при этом управляющие входы п ключей группы являются соответствующими третьими цифровыми входами цифроаналогового преобразователя, аналоговые входы п ключей группы через соответствующие вторые коммутационные резисторы подключены к первым выводам соответет- вующих первых коммутационных резисторов.

2. Способ настройки цифроаналогового преобразователя, заключающийся в том, что измеряют основной сигнал разбаланса, соответствующий разности выходных напряжений настраиваемого и вспомогательного цифроаналоговых преобразователей, выполненных на матрицах резисторов типа , в рабочем режиме при подаче на их входы соответствующих единичных кодов, а затем при подаче на вход вспомогательного цифроаналогового преобразователя кодов, инверсных единичному, а на вход настоаиваемого преобразователя кодов, равных им по весу, после чего по результатам измерений определяют расчетным путем значения абсолютных погрешностей для каждого из цифроаналоговых преобразователей, по которым и с помощью матрицы чувствительности рейис- торов матрицы типа определяют соответствующие установочные значения основного сигнала разбаланса и последовательно, начиная с младшего разряда, осуществляют подгонку резисторов

91324

матрицы настраиваемого цифроаналогово- го преобразователя путем изменения величин сопротивлений соответствующих резисторов с одновременным контролем основного сигнала разбаланса при подаче единичных кодов на входы настраиваемого и вспомогательных цифроанало- говых преобразователей до достижения им установочных значений, о т л и - IQ чающийся тем, что, с целью повышения точности настройки, перед измерением основного сигнала разбаланса осуществляют измерение дополнительного сигнала разбаланса, соответствую- 5 щего разности напряжений на выходной и дополнительной выходной шинах наст- . раиваемого цифроаналогового -преобразователя, и последовательно, начиная . со старшего разряда осуществляют под- 20 гонку -величин сопротивлений соответствующих первых и вторых коммутационных резисторов и первых и вторых согласующих резисторов настраиваемого цифроаналогового преобразователя с 25 одновременным контролем дополнительного сигнала разбаланса при подаче соответствующих единичных кодов на входы первой и третьей групп цифровых

1410

входов настраиваемого цифроаналогового преобразователя и при подаче соответствующего кода числа единиц, на входы второй группы цифровых входов настраиваемого цифроаналогового преобразователя до достижения им нулевого значения, а при расчете соответствующих установочных значений основного сигнала разбаланса используют в качестве матрицы чувствительности матрицу чувствительности резисторов связи и перед подгонкой резисторов матрицы настраиваемого цифроаналогового преобразователя по значениям установочных значений основного сигнала разбаланса определяют его контрольные значения, а подгонку резисторов матрицы настраиваемого цифроаналогового преобразователя осуществляют изменением резисторов связи, причем при переходе к подгонке резисторов связи очередного разряда осуществляют сравнение значения основного сигнала разбаланса с соответствующим контрольным и по результату сравнения судят о правильности настройки цифроаналогового преобразователя.

Изобретение относится к области .автоматики и импульсной технике и может быть использовано в цифровых измерительных системах для преобразования цифровых величин в аналоговые. Цель изобретения - повышение точности цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и повьппение точности его настройки. Повышение точности достигается за счет введения в ЦАП вторых коммута - ционньш резисторов 9, группы 13 клю- чейj двух дополнительных ключей 17, 18, дополнительного резистора 14 связи, второго согласующего резистора 16, j второго преобразователя тока в напряжение, выполнения элементов 10 коммутации на ключах 11 и 12, обеспечения при настройке компенсации проходных сопротивлений соответствующих ключей 13 и 11 в рабочем режиме и осуществления контроля за правильностью процесса настройки. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. (Л со isd

, -

-(j. ,

ие.

га.п

Составитель В. Першиков Редактор Л. Веселовская Техред М.Моргентал Корректор М. Шароши

Заказ 3818,Тираж 901

ВНИИГШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

фи5.2

Подписное