Устройство аналого-цифрового преобразования Советский патент 1987 года по МПК H03M1/14 

1

Изобретение относится к области преобразования информации и может найти применение в информационно-измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины и т.д.

Цель изобретения - повышение точности.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство аналого-цифрового преобразования содержит первьШ 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), первый 3 и второй 4 цифро- аналоговые преобразователи (ЦАП), вы читатель 5, усилитель 6 разностного сигнала, цифровой умножитель 7, циф- ровой сумматор 8, генератор 9 начальной установки, счетчик 10, элемент И 1, генератор 12 тактовых ш1пуяьсов первый 13 и второй 14 элементы задержки, причем усилитель 6 разностного сигнала содержит также токоограничи- вающий элемент (резистор) 15 и опера ционный усилитель 16..

Устройство работает следующим образом.

После включения напряжения питани на вькоде генератора 9 начальной ус- тановки формируется импульс, поступающий на вход записи счетчика 10, по которому на выходы счетчика записывается код.N с входов данных

нач

счетчика, которьй определяется соответствующим порядком соединения входов данных счетчика с шинами напряжения, уровни которых соответствуют уровням логических О и 1.

Код N цд с выходов счетчика 10 поступает на входы второго ЦАП 4 и вторую группу входов цифрового умножителя 7.

Каждое преобразование входного напряжения и (t) в выходной код

инициируется импульсом генератора тактовых импульсов.

12

Входное напряжение и, (t) поступает на вход первого АЦП 1, который преобразует его в .пвоичный код. В момент времени t при поступлении на тактовый вход первого АЦП 1 импульса с генератора тактовых импульсов на выходах первого АЦП 1 фиксщэуется код соответствующий значению

N

входноUgj, (t,) в этот момент

го напряжения

времени:

N Ugx (t)-- ,) Кди.п, J

325697

где

IQ U

2025

зо 35

АЦП4

дк

, - крутизна характеристики первого АЦП 1j погрешность квантования первого АЦП.

Код N поступает на первый ЦАП 3, который формирует точный аналоговьй эквивалент грубого цифрового приближения NI входного напряжения

и

где К

,

и,ап

5 ч«п,, . .

входного напряжения и, {t),

,,

и,лп - крутизна характеристики

первого ЦАП 3.

Промежуточный аналоговый сигнал вьгчитается в вычитателе 5 из

На выходе

вычитателя при 1/К образуется разностное напряжение AK(t), которое усиливается усилителем 6 разностного сигнала. Напряжение на выходе усилителя разностного сигнала равно

UBX (t,) - Ua.o,,., причем KY коэффициент усиления усилителя 6 разностного сигнала, определяющийся следующим образом: К NMa«/Ku,arjRN ,

-коэффициент характеристики второго ЦАП 4, имеющий размерность проводимости

R - величина сопротивления во входной цепи усилителя разностного сигнала;

-числовой эквивалент кода, подаваемого на цифровые входы второго ЦАП,

-максимальный числовой эквивалент кода N .

где

цап-г

N

N.

50

gg

40 Напряжение и.. поступает с выхода усихсителя 6 разностного сигнала на вход второго АДП 2, который преобразует его в код N, фиксируемый на выходах второго АЦП 2 при поступлении на

45 его тактовый вход тактового импульса

в момент (t, )9 где. JjaA время З Эдержки поступления тактового импульса на второй АЦП 2 относительно времени поступления его на первый АЦП 1, учитывающее время преобразования

(t) первым АЦП 1, время переходных процессов в первом ЦАП 1 и операцибн- ном ус2-шителе 16, которое определяется первым элементом 13 задержки.

Если напряжение U в момент (t + %csAi ) 2 превосходит значений допустимого диапазона входного напряжения второго АЦП 2, код N определяется следуюц5им образом:

К

,П2

«5 и,, (t,+ г,„,).ч-

X KAUJ,J ,

где . (t + ,i ) выходное напряжение усилителя разностного сигнала в момент поступления тактового импульса на такто- вьй вход второго АЦП 2; - крутизна характеристики второго АЦП 2; 4 Kj - погрешность квантования второго АЦП.2.

Если напряжение U в момент (t ) больше значений допустимого диапазона входного напряжения второго АЦП, то

N N

г 2 Мйкс

где N. , „, - код, числовой эквивалент

ДАСТ К-С

которого равен максималь .ному целому числу, кото- рое можно представить выходным кодом второго АЦП 2.

Цри этом код Ng определяется с динамической погрешностью, равной

)j X

и МА - М

2 г Алякс

где N - идеальное значение кода N , соответствующего величине выходного напряжения усилителя разностного сигнала. Код N с выходов второго АЦП 2 поступает на первую группу входов цифрового умножителя 7, на выходах которого образуется код

N .

N, N,

Код N;

,2 поступает на вторую группу входов цифрового сумматора 8, на первую группу его входов поступает код N , на выходах цифрового сумматора 8 образуется выходной код устроства

N,,, К N, + N;,

где К - коэффициент передачи цифрового сумматора по входам ко- да N .

При использовании идентичных первого и второго АЦП, т.е. при Кдц

Аи,п2 Ацп Р неизменном входном напряжении Ug (t) и пренебрежении малыми ошибками первого АЦП и первого ЦАП достаточно, чтобы вес :старшего разряда кода N был равен половине веса младшего разряда кода N, При этом коэффициент усиления усилителя разностного сигнала

Ка

должен быть равен К,

где S число разрядов второго АЦП 2, что

13256974

)j X обеспечивается подачей на

ВХОДЫ второго ЦАП А кода

N

N

УК V п

ЦП п я Л

Такое значение N и устанавливается на входах данных счетчика, т.е

NHOH 2

Установление такого коэффициента усиления усилителя 6 разностного сигнала при неизменном входном напряжении и (t) обеспечивает равенство значения максимального выходного напряжения усилителя 6 разностного сигнала и максимального значения допустимого входного напряжения второго АЦП 2 и минимизацию статистических . погрешностей преобразования, а при выполнении условий

и,п u.c,ni К подавляется и динамическая погрешность. N

SbW

при этом .(t,)-dK(.A,).

Однако за время между моментами

0

5

фиксации кодов N и N

2

т.е.

за время между моментами времени t, и (t

и„ (t)

- ic(A выходное напряжение может измениться на величину

0 AgCt, + , ), поэтому вторым АЦП 2 преобразуется в код не только усиленное значение AK(t ), но и 4g(t -+ + эдА1 этом выходное напряжение усилителя 6 разностного сигнала

2 может превысить значения допустимого диапазона входного напряжения второго АЦП 2 и код NJ равен Выходной код устройства в этом случае равен

N

KN , ,

- , i JfWCTbC

И определяется с динамической погрешностью Л.

Если в каком-либо цикле преобразования выходное напряжение усилителя .6 разностного сигнала превышает на- пряжение, соответствующее максималь

50

55

ймакс

И ес

ному коду второго АЦП 2 N ли измеряеьый процесс, представляемьй входным напряжением и (t), стадиона-, рен, то в будущем могут наблюдаться аналогичные изменения входного напряжения между моментами фиксации кодов N и N на выходах АЦП. Для уменьшения динa шчecкoй погрешности последующих отсчетов входного напряжения при воз- никновенш подобных ситуаций необходимо уменьшить коэффициент усиления усилителя разностного сигнала,а.с тем чтобы при этом функциональная характеристика преобразователя не изменилась - аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя по входу .

Это ос,тдествляется следующим об- 5 разом,

В момент времени (t + +

+ tjoiAj Ь ГД длительность задержки поступления тактового импульса на второй вход элемента И 11 fO относительно момента его поступления на тактовый вход второго АЦП 2, формируемая вторым элементом 14 задержки и определяемая временем преобразовазначений допустимого диапазона входных напряжений: второго АЦП. Статическая погрешность преобразования при этом увеличивается, но максимальная Ьолная погрешность преобразования уменьшается.

Через некоторое время после начала измерений устгшавливается оптимальное для данного входного сигнала значение коэффициента усиления усилителя разностного сигнала, исключающее дина- мическую погрешность всех дальнейших измерений.

Динамические искажения входного

НИН второго АЦП 2, переходных процес- 5 сигнала в усилителе разностного сигсов в цифровом умножителе и цифровом сумматоре, на второй вход элемента И 11 поступает тактовый импульс. Если выходное напряжение усилителя.6 разностного сигнала находится в пределах допустимого- диапазона входных напряжений второго АЦП 2, то на выходе переполнения второго АЦП 2 присутствует логический ноль, запрещающий прохож

дение в момент (tj + ) тактового импульса с второго элемента 14 задержки через элемент И 1,на счетный вход счетчика 10, и установленное ранее значение кода N на выходах счетчика сохраняется.

При превышении выходным напряжени- ем усилителя 6 разностного сигнала значений допустимого диапазона входных напряжений второго АЦП на выходе переполнения второго АЦП 2 присутствует логическая единица, которая разрешает прохождение в момент (t + ( тактового импульса с второго элемента 14 задержки через элемент И 11 на счетный вход счетчика 10, при этом содержимое счетчика 10 увеличивается на единицу, что определяет уменьшение коэффициента усиления усилителя 6 разностного сигнала и увеличение коэффициента передачи ЦИФР013ОГО умножителя 7 по входу кода N.

Максимальное значение д1-шамической погрешности всех последующих циклов преобразования для аналогичных изме нений входного напряжения Uj,j (t) между моментами фиксации кодов N и N на выходах АЦП таким образом уменьшается.

.. Увеличение кода N происходит и в последующих циклах преобразован1ж при каждом превьш1ении выходньм напряжением усилителя разностного сигнала

значений допустимого диапазона входных напряжений: второго АЦП. Статичес кая погрешность преобразования при этом увеличивается, но максимальная Ьолная погрешность преобразования уменьшается.

Через некоторое время после начала измерений устгшавливается оптимальное для данного входного сигнала значение коэффициента усиления усилителя разностного сигнала, исключающее дина- . мическую погрешность всех дальнейших измерений.

Динамические искажения входного

0

0

5

0

нала не компенсируются, но при применении современных быстродействующих операционных усилителей они пренебрежительно малы,,

Таким образом, преимуществом предлагаемого устройства перед известными является возможность автоматического выбора оптимального ,а;ля конкретного образца устройства и конкретного вида входного сигнала соотношения статической и динамиче ской погрешности, т,е. повышение точности преобразования.

Формула изобретен и я

Устройство аналого-цифрового преобразования, содержащее первьш и второй аналого-цифровые преобразователи, информационны вход первого из которых является входной шиной и объединен с первым входом вычитателя,, второй вход которого через цифроаналого- вый преобразователь подключен к выходу первого аналого-цифрового преобра- .. зователя, а выход вычитателя соединен

.с информационным входом усилителя разностного сигнала, выход которого соединен с информационным входом второго аналого-цифрового, преобразова- f теля, выход П6ФВОГО аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, тактовый вход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу генератора тактовых импульсов - непосредственно, а тактовый вход второго аналого-цифрового преобразователя - через первый элемент задержки, отличающее ся тем, что, с

5

целью повышения точности преобразования, в него введены генератор начальной установки, счетчик, элемент И, .цифровой умножитель, второй элемент

задержки, через который первый вход элемента И соединен с выходом первого элемента задержки, второй вход элемента И соединен с выходом переполнения второго аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первой группой входов цифрового умножителя соответственно, вторая группа входов которого объединена с управ- Q ется информационным входом усилителя,

а неинвертирующий вход подключен к общей шине, аналоговый вход и вькод цифроаналогового преобразователя соединены соответственно с выходом и инляющими входами усилителя разностного сигнала и подключена к соответствующим выходам счетчика, вход записи которого подключен к выходу генератора

начальной установки, входы данных яв- g вертирующим входом операционного уси- ляются шиной кода начальной установ- лителя, цифровые входы являются упраки, счетный вход соединен с выходом элемента И, а выход цифрового умножителя подключен к второму входу цифрового сумматора.

Редактор И.Николайчук

Заказ 3557Тираж 901

ВНИИПИ 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

6978

2. Устройство по П.1, о тл ич а- ю щ е е с я тем, что усилитель разностного сигнала выполнен на операционном усилителе, цифроаналоговом пре-- образователе и токоограничивающем элементе, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод являвляющими входами усилителя, а выход : oneрационного усилителя является выходом усилителя.

Составитель В.Махнанов Техред М.Ходанич

Корректор В.Бутяга

Подписное

Изобретение относится к преобразованию информации и может найти применение в информационно-измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины и т.д. С целью повышения точности преобразования в устройство аналого-цифрового преобразования, содержащий первый 1 и второй 2 аналого-цифровые преобразователи, вы- читатель 5, усилитель разностного сигнала 6, цифровой сумматор 8, генератор тактовых импульсов 12, элемент задержки 13, цифроаналоговый преобразователь 3, вводятся второй цифроаналоговый преобразователь 4, счетчик 10, элемент И 11, цифровой умножитель 7, второй элемент задержки 14 и генератор начальной установки 9. Существенным отличием предлагаемого устройства является наличие возмояСности автоматической, не требующей предварительной оценки динамических характеристик входных сигналов,адаптации его параметров к динамическим характеристикам входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. (Л % Сп оэ ю О Oi CD