Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой код с коррекцией результата Советский патент 1988 года по МПК H03M1/10 

фиг.З

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения аналоговых сигналов, например напряжений в цифровой форме, и может быть применено в электро- и радиосвязи в измерителях с устройствами коррекции и калибровки.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия.

I

На фиг.1 представлены передаточные характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП); на 4иг. 2 - передаточные характеристики линейного усилителя и АЦП; на фиг. 3 - устройство для осуществления предлагаемого способа калибровки и коррекции.

Устройство (фиг.З) содержит собственно преобразователь, с остоящий из линейного усилителя 1 и экспоненциально АЦП 2, первый коммутатор 3 сигналов и генератор 4 калибровочных сигналов с точным делителем 5 напряжений , а также вычислитель 6 с блоком 7 памяти и цифровым индикатором 8 на выходе. В устройстве между выходом линейного усилителя 1 и входом экспоненциального АЦП введен второй коммутатор 9 сигналов.

Преобразованию и последующей коррекции результата преобразования подвергается преобразователь типа экспоненциального АЦП с линейным усилителем на входе.

Калибровка измерительного преобразователя производится с помощью калибровочных сигналов. Однако первоначально калибруется экспоненциальный АЦП с помощью вспомогательных калибровочных сигналов и определяется корректирующий первый коэффициент поправки К, по значениям, записанным в память вычислителя и полученным

помощью

по результатам калибровки, с

Пх - nt

выражения К -Затем с поАА .

Пх - n,j . МОЩЬЮ тех же калибровочных сигналов калибруют линейньй усилитель с АЦП и определяют второй коэффициент поправки Л на показания усилителя, определяемый по формулам

А

- Пи

.1и JUx

3

1пКг/Кг;

(1)

л

Пх п

А Пх

А

- Tii

InUjU,

(2)

Таким образом, калибровка измерительного преобразователя всегда предшествует измерениям на реальном сиг- нале.

После калибровки производят измерение на рабочем сигнале и показания измерительного преобразователя корректируют с учет ом коэффициентов поправки К, и & по формуле.

П; КДП; + ii -).

В предлагаемом способе в качестве калибровочных сигналов используt ют неточные и нестабильные синусоидальные напряжения вместо высокоточных и высокостабильных сигналов в блоке образцовых мер способа-прототипа. С помощью необразцовых мер

0 без вспомогательных образцовых приборов определяется передаточная характеристика (зависимость выходного сигнала от входного) измерителя, по которой затем корректируются и

5 приводятся к номинальным его показаниям.

Кусочно-линейная аппроксимация кривой заменяется самой кривой, что позволяет повысить точность измере0 НИИ.

Выбор калибровочных сигналов не зависит от измерительной величины, поэтому в предлагаемом способе калибровка может быть проведена до из5 мерений на реальном сигнале не только во время измерений. Следовательно, повьшается быстродействие, так как калибровка проводится до измерений, кроме того, независимость опера0 ций калибровки и измерений расширяет функциональные возможности предлагаемого способа.

Калибровка измерительного преобразователя по частям (сначала АЦП, за5 тем - линейный усилитель с АЦП) позволяет использовать АЦП для калибровки усилителя, исключив как вспомогательные образцовые измерители, так и образцовые измерительные меры. Это

50 сокращает объем вспомогательного оборудования, упрощает измерения, повьг- шает их точность.

Способ калибровки и коррекции АЦП поясняется на фиг.1, где в координа55 тах и - приведены его характеристики: а - номинальная кривая, б,в - кривые при мультипликативных погрешностях, г - кривая при аддитивной погрешности, д,е - кривая при ад31

дитивных и мультипликативных погрешностях.

Калибровка экспоненциального АЦП в предлагаемом способе использует следующее свойство экспоненты. При UM/UX const (фиг.1)

X

п - n,j с, ;

п; К,

:Пц к,Па.

3 0

. Таким образом, калибровка экспоненциального АЦП производится двумя калиб . ровочными напряжениями при коэффициенте усиления линейного усилителя У.1, а пересчет полученных отсчетов в номи : нальные производится умножением на мно житель К.

Калибровка всего измерительного преобразователя производится с помощью экспоненциального АЦП теми же калибровочными напряжениями U и

г

Если у линейного усилителя коэффициент усиления равен К, а при калибровке .АЦП при К 1 показания АЦП

при подаче на его вход сигналов

и UM были п и Пи, то при подаче тех же сигналов через линейный усилитель получим отсчеты на АЦП п ч- соответственно.

Если отсутствует смещение нуля у линейного усилителя, то его коррекцию при наличии мультипликативной погрешности можно осуществить с помощью алгебраической добавки.

На фиг.2 схематически показана коррекция измерительного преобразователя по результатам калибровки. По последовательности цифр 1-7 можн проследить путь .коррекции: входной Величине сигнала, равной U;, на выходе преобразователя соответствует неоткорректированный код п; (путь l-2-З); затем код п; приводится к номинальному коэффициенту усиления

U V

К линейного усилителя П; П| + + Л (путь 3-4-5); переход на номинальную характеристику -АЦП осуществляется с помощью коэффициента п; К,п (путь 5-6-7).

Устройство (фиг.З) работает следующим образом.

На сигнальные входы первого коммутатора 3 сигналов поступают измеряемый сигнал Uj , а также два калибровочных сигнала U и Ui.

1

-

367154

Калибровочные .сигналы U и Uu представляют собой синусоидальные напряжения, получаемые от одного и

того же генератора 4 калибровочных сигналов с помощью точного делителя напряжений. Генератор 4 представляет собой одночастотный RC-генератор, а делитель 3 напряжений может быть

10 выполнен, например, на змиттерном повторителе и прецизионных резисторах. К генератору с делителем предъявляется следующее требование: отношение калибровочных напряжений

-15 должйо быть постоянным Un/U

const и выбирается в зависимости от диапазона измеряемой величины АЦП.

На сигнальные входы второго комму- 20 татора 9 сигналов поступают усиленный входной сигнал с выхода линейного усилителя и два калибровочных сигнала U и Un.

Оба коммутатора управляются с по-25 мощью вычислителя.

Первоначально запрещается прохождение всех сигналов через первый ком-. мутатор и разрешается через второй. При этом производится калибровка экс-30 поненциального АЦП 2.

-Поочередно вычислитель дает разре- шение на прохождение сигналов калибровки Uy и и 1.1 от генератора 4 через делитель 5, второй коммутатор 9 сиг-

25 налов на вход АЦП, показания которого считываются и запоминаются в блоке 7 памяти вычислителя 6. По этим данным вычисляется первый коэффициент поправки К, АЦП.

40 После калибровки АЦП с помощью последнего производится калибровка всего преобразователя, для чего поочередно разрешается прохождение калибровочных сигналов UK имЧерез пер-

45 вьтй коммутатор 3 сигналов, линейный усилитель 1, второй коммутатор 9 сигналов, АЦП 2, вычислитель 6, блок 7 памяти. По двум отсчетам калибровки определяется второй коэффициент поп50 равки Л .

После калибровки измерительного преобразователя вычислитель разрешает прохождение входного сигнала U; через оба коммутатора, линейный уси-

55 литель и АЦП и запрещает прохождение калибровочных сигналов. Измеренный сигнал запоминается в блоке 7 памяти вычислителя, который затем по результатам калибровки производит коррекцию измеренной величины напряжения, введя алгебраическую добавку л. и корректирующий множитель. Откоррек тированная величина напряжения выводится на цифровой индикатор.

Данный способ позволяет повысить точность измерения уровня (напряжений), а также увеличить быстродействие. Повьппение точности достигается исключением высокостабильного и точного источника опорного сигнала с его погрешностями, коррекцией реальной передаточной характеристики изме

необходимость в проверке и аттеста- ,ции источника опорного сигнала.

Формула изобретения

Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой.код с коррекцией результата, заключающийся в преобразовании входного сигнала в пропорциональный входной код с последующим запоминанием его, формировании калибровочных сигналов, преобразовании их в код с последующим за

.Изобретение позволяет повысить точность преобразователей с логарифмической шкалой измерения, а также уменьшить время калибровки. Повыше-, ние точности достигнуто исключением источника высокоточных и стабильных мер и введением точного соотношения двух неточных мер, а повьшгение быстродействия - за счет изменения поряд- ка операций. При калибровке преобразователя типа экспоненциального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2 с линейным усилителем 1 на входе первоначально калибруют АЦП путем поочередной подачи на его вход двух неточных напряжений от обычного синусоидального генератора через точный и стабильный делитель 5 напряжений. С их помощью находят первый коэффициент поправки, позволяющий восстановить идеальную характеристику АЦП. С помощью откапиброванного АЦП теми же калибровочными сигнала- ми калибруют линейный усилитель 1 и определяют второй коэффициент поправки для приведения показаний преобразователя к истинным при номинальном . коэффициенте передачи. Только после этого подают на вход преобразователя входной сигнал. Результат его измерения либо корректируют на величину запомненных коэффициентов поправки в вычислителе, либо прекращают измерения при отклонении передаточных характеристик АЦП и усилителя от пре-- дельных граничных условий. В устройстве вместо источника высокочастотных и высокостабильных мер применен обычный НС-генератор, а между линей-- ным усилителем I и АЦП 2 введен второй коммутатор 9 сигиалов. 3 ил. с $ (Л 0:) -vi Ьп.

рительного преобразователя и устране- 15 поминанием калибровочных кодов, определении коэффициентов поправки входного кода и коррекции с их учетом входного кода, отличающий с я тем, что, с целью повыше20 НИН точности и быстродействия, формирование калибровочных сигналов, преобразование их в код с запоминанием калибровочного кода и определение первого коэффициента поправки

25 входного кода осуществляют до преоб- ра13ования входного .сигнала, после чего усиливают калибровочные сигналы, преобразуют вход и после запоминания калибровочных кодов усилен30 ных калибровочных сигналов, определяют второй коэффициент поправки, а коррекцию, входного кода осуществляют по формуле

п; К,(п; + Ь ),

нием погрешностей кусочно-линейной аппроксимации, а повьшгение быстродействия - независимостью операций калибровки и коррекции. 11овьш1ение точности позволяет получить значитель- ньй экономический эффект, так как снижается вероятность ошибочного результата измерений и ложных браковок, например каналов связи, уменьшается время простоев каналов, что эквивалентно увеличению числа кана- локилометров.

Независимость операций калибровки и коррекции и повьш1ение быстродействия измерений (примерно втрое) особенно важно в системах, работающих в реальном масштабе времени, а также в системах, работающих по расписанию с возможностью появления внештатных ситуаций. Так как обычно вычислитель может обслуживать одновременно измерение и обработку нескольких параметров объекта, то работа по расписанию должна занимать возможно меньшее время. Тогда остальное машинное время вычислителя можно равномерно распределить. В данном случае только собственно Измерение и коррекция идут по расписа-л иию, а вся калибровка может быть равномерно распределена во времени, что увеличивает экономический эффект, так как большой -объем вычислительных работ можно производить на процессорах малой разрядности и быстродействия.

Кроме того, отсутствие высокоточного и стабильного источника опорного сигнала в значительной мере удешевляет процесс измерений и калибровки, так как его стоимость состав- лйет значительную часть от общей стоимости устройства; отпадает также

35

40

45

где п - откорректированный входной код;

К, - первый коэффициент поправки;

Ь - второй коэффициент поправки;п; - входной код,

причем первый коэффициент поправки вычисляют по формуле

К,

.Ь-:. П,

t - П,

50

где АХ f(и) и Пи f(U) - калибровочные коды, пропорциональные первому второму Uij калибровочным напряжениям соответственно ;

55 п Ч)(и); п q (ulj) - калибровочные коды, соответствующие номинальном калибровочным напряжениям и и и, при этом Ua/U

где п - откорректированный входной код;

К, - первый коэффициент поправки;

Ь - второй коэффициент поправки;п; - входной код,

причем первый коэффициент поправки вычисляют по формуле

К,

.Ь-:. П,

t - П,

0

где АХ f(и) и Пи f(U) - калибровочные коды, пропорциональные первому второму Uij калибровочным напряжениям соответственно ;

5 п Ч)(и); п q (ulj) - калибровочные коды, соответствующие номинальном калибровочным напряжениям и и и, при этом Ua/U

1367154

const, a второй коэф(|ициент поправ- где К и К - реальный и идеальный

1еи «миыопеилт ттгл Лг т лтт11л-

ки вычисляют по формуле

i 2L:.k.. In Uy/Uy

коэффициенты усиления калибровочных сигна5

п, ) калибровочный код,

..;

A V

n - HX

и

.in - .

1367154

где К и К - реальный и идеальный

-

коэффициенты усиления калибровочных сигнаV °

п, ) калибровочный код,

пропорциональный усиленному калибровочному напряжению UK.

i/y

фиг.1

а