Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1988 года по МПК H03M1/56 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и мокет быть использовано в спектрометрии ионизирующих излучений,

Цель изобретения - повьшение точности,

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие функционирование распределителя импульсов .

Устройство (фиг. ) содержит аналоговый сумматор i, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающее устройство 4, аналоговый коммутатор 5t генератор 6 чисел разравнивания, цифроаналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распределитель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе 13, двух резисторах 14 и 15 и четыре ключах 16,

В основу аналого-цифрового преобразования положен принцип аналого- цифрового преобразования суммы измеряемого сигнала V и сигнала разрав- н таания Qj(V+Q. j) по методу последовательных приближений JS в результате чего формируется код N указанной суммы. Из полученного кода N вычитается код числа разрантшвания Nj, причем значение числа разравнивания в каждо цикле преобразования задается по случайному закону, т„So используется метод статистического разравнивания для повьшзения достоверности результата преобразования.

Устройство работает с-педующим образом,

В начале цикла преобразования до командь Пуск 5 поступающей на вход распределителя 12 импульсов (фиг 2) аналоговое запоминающее устройство А находится в режиме выборки. В ана™ логовом коммутаторе 5 ключи 16 , 16 и 16, замкнуты, а 16 „разомкнут С выхода цифроаналогового преобразователя 7 через замкнутый ключ 16„, операционный усихштель 13, в цепи отрицательной обратной связи которого находятся последовательно вклю

Cj« Входной преобразуемый сигнал V поступает на второй вход анипаго- вого сумматора 1, с выхода которого сумма сигнала V- и сигнала разравнивания Q j поступает на вход аналогового запоминающего устройства 4, На выходах генератора 6 чисел разравнивания установлен код N j числа разравнивания Cj. Ген1вратор 6 чисел разравнивания имеет m разрядов, причем , где п - число разрядов аналого-цифрового преобразователя. Эти m разрядов кода разравнивания с по- мощью цифрового коммутатора 10 подключены к старшим разрядам цифроаналогового преобразователя 7, на млад- щие разряды которого подаются уров0

5

0

5

0

0

ни О . Таким образом осуществляется цифровое умножение на числа разравнивания. Для этого, чтобы скомпенсировать усиление сигнала разравнивания используется аттенюатор 3, коэффициент передачи которого К приходом команды Пуск Сфиг.2а) сигналом с первого выхода распределителя 12 импyльcQв (фиг. 26) сумма сигналов запоминается в аналоговом запоминающем устройстве 4 на время преобразования. При этом цифровой коммутатор О по сигналу управления с четвертого выхода распределителя 12 (фиг, 2д) подключает выходы регистра 11 последовательных приближений к информационным входам цифроаналогового преобразователя 7, а в аналоговом коммутаторе 5 по команде с пятого выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2е) ключ 16 ,; размыкается, а ключ 16 замыкается. Таким образом, цифроаналоговый преобразователь 7 на время преобразова™ ния управляется от регистра 1 последовательного приближения, а его выходной ток при помощи компаратора 2 сравнивается с током, поступающим через резистор 14 и замкнутый ключ 16 ,от аналогового запоминающего устройства 4 на второй вход компаратора 2, При этом осуществпяется аналого-цифровое преобразование сум- мь: сигналов по методу поапе- довательных приблг-гжений. На информационный вход регистра 11 последова

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в спектрометрии ионизирующих излучений. Цель изобретения - повьппение точности. Устройство содержит аналоговый сумматор 1, компаратор 2, аттенюатор 3, аналоговое запоминающее е устройenfffi ство 4, аналоговый коммутатор 5, генератор 6 чисел разравнивания, цифро- аналоговый преобразователь 7, источник 8 опорного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного напряжения, цифровой сумматор 9, цифровой коммутатор 10, регистр 11 последовательного приближения и распреде - литель 12 импульсов. Аналоговый коммутатор 5 выполнен на операционном усилителе 13, двух резисторах 14, 15 и четырех ключах 16 -16 . Введение аналогового 5 и цифрового 10 коммутаторов, аттенюатора 3 и источника 8 опорного напряжения позволило повысить точность преобразования за счет уменьшения случайной сос- тавлякщей погрешности преобразования при использовании метода статистического разравнивания, 1 з.н. ф-лы, 2 ил. с (Л

ченнь е замкнутый ключ резистор 55 тельных приближений поступают сигнаИ), а также через аттенюатор 3 на

лы с выхода компаратора 2, а на его тактовьй вход с шестого выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2ж) поступают та.к7 овые Рдмпульсы,

первый вход аналогового сумматора 1 подается сигнал разравнивания Q;, соответствующий числу разравнивания

лы с выхода компаратора 2, а на его тактовьй вход с шестого выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2ж) поступают та.к7 овые Рдмпульсы,

По окончании преобразовании на выходах ре.истра 11 последовательного прибл{1жения формируется код N суммы . В цифровом сумматоре 9 из кода N вычитается код N числа разравнивания, полученный результат, пропорциональный входному преобразуемому сигналу V,, с выхода цифрового сумматора 9 по команде с третьего выхода распределителя импульсов (фиг. 2г) вьщается на выходную шину устройства. По сигналу с второго выхода распределителя 12 импульсов (фиг. 2в) в генераторе 6 чисел разравнивания формируется очередное значение кода разравнивания и с приходом следующей команды Пуск устройство начинает очередной цикл .преобразования.

Одним из основных точностных параметров АЦП, предназначенных дпя использования в спектрометрии ионизирующих излучений, являются дифференциальная нелинейность и относительное амплитудное разрешение. Более полно, чем относительное амплитудное разрешение, шумовые характеристики АЦП отражает профиль кванта P(i5V), который определяется как функция вероятности того, что сигнал амплитуды V преобразуется в код i. Профиль кванта идеального АЦП - прямоугольный с шириной, равной ширине кванта. В реальных АЦП действие погрешностей преобразования приводит к искажениям профиля кванта, которые выражаются в сглаживании формы профиля кванта, в расширении его границ более чем на величину одного кванта. Статистическое разравнивание величины квантов является эффективным средством улучшения дифференциальной нелинейности. При прямоугольной весовой функции, разравнивания эффективный профиль i-ro кванта в АЦП со статистическим разравниванием может быть представлен выражением

ГЛ

Pc(i;V) P(i+J,V-fQ,); ()

где M - число квантов, на которое

осуществляется разравнивание. Однако сам процесс статистического разравнивания приводит к увеличений случайной составляющей погрешности преобразования, обусловленному помимо исходной дифференциальной , нелинейности АЦП (АЦП йез разравнивания) дифференциальной нелинейностью

5

0

5

схемы разравнивания, а также неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и разравнивания.

Под повьш1ением точности в данном

случае понимают уменьшение случайной составляющей погрешности преобразования или увеличение коэффициента качества профиля кванта.

Случайная составляющая погрешности преобразования может быть вызвана неточностью согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и разравнивания и дифференциальной нелинейностью шкалы разравнивания. Согласование масштабов шкал означает равенство средних величин квантов АЦП без разравнивания h и квантов разравнивания hp.

Допустим, что шумы АЦП без разравнивания отсутствуют, т.е. профиль кванта АЦП без разравнивания прямоугольный:

Р(1,У)5П (i,V),(2)

П(1 V) -( Р V,,,,; VO, при V,V и ,,,, (3) .

ГДР. V. и У

- 1-я границы квантования АЦП без разравнивания, выраженные в единицах входного сигнала. Тогда выражение (1) для АЦП с разравниванием принимает вид

М Pc(i.V) u+T lnd+J, V+Q),

(4)

j-o

40

где

n( v+Q.)r P

nvi tj.v p

где Vi+j

« 1..

5

0

соответственно (i+Я-я и ( + )-я границы квантования АЦП без разравнивания, выраженные в единицах входного сигнала. Обозначим через .., разность

о Р

средних значений величин квантов АЦП без разравнивания и шкалы разравнивания. Если пренебречь смещением начальной точки характеристикой пре- 5 образования, то ошибки положения соответствующих границ квантования АИД без разравнивания, входящих в выражение (5), запишутся в виде

uV.V, -ihoi & ..j-()h ;

О

AV,.,.r,.j,r(

П(

i + 1 V+Q ){ Р i-j+(i- -J)haiV+ Q.4-j()()h, J 0 при всех других V

.|1 при ,h-KQj V e,V.j(i+)h -4-Juh-&Qj; lO при всех других V

Из выражений (4) и (10) видно, что для увеличения коэффициента ка- честна профиля кванта А1Щ с разравниванием необходимо в правой части выражения (10) уменьшать слагаемые, содержащие JC в виде индекса или соn(i + i v+Q-)r (1Г) -L Ji, ЧJ Q jjpjj других V.

Покажем, что в устройстве не требуется настройки для согласования масштабов шкал аналого-цифрового преобразования и разравнивания.Для преобразования и разравнивания используется один и тот же ЦАП 7.

Согласование масштабов шкал означает, что коэффициент передачи сигнала ЦАП 7 через аналоговый коммутатор 5 на первый вход компаратора 2 должен быть в 2 pas больше чем коэффициент передачи сигнала ДАЙ 7 через ai-шюговый коммутатор Г/1 аттенюатор 3j акалоговый тор 1„ АЗУ 4 к аналоговый коммутатор 5 на второй вход компаратора 2.

7 представим источником напряжения U(N) .при подаче на его входы кода К от рагястра 1i последегватель- ноге приближения или U(С ; 2 )при подаче на его входы кода К; от генератора 6 чисел разравниванияS Выходное сопротивление этого источника напряжения обозначим R

Чй,П

Компаратсф 2 сравнивает токк

и(к) .

I - Tj™

- Л,

.

т () -..,

(12) (13)

сопротивления замкнутых, ключей 16;

коэффициенты передачи АЗУ 4 и аналогового cy матора 1, 1 и К 1, что практи.. .. .,

АЗУ АС

осуществить с высокой

13

Тогда

принимает вид

3780616

Аналогично ошибка J-го сигнала разравнивания равна

uQ,Qj-Jhp Q -j(). Подставим выражения в (5);

(9)

(10)

множителя Допустим, что в AIJJI с разравниванием нет источников случай- ной составляющей погрешности преобразования кроме рассогласования масштабов шкалг Ь. Тогда 10 принимает вид

- -L R,, +R.

(14)

-ife

В конце преобразования должно выполняться условие I 1 . При ,, и , т.е. подставим (12) и . (14) в (15):

.1 .в, .. .,

(16)

Отсюда

h uiHm.

/тч т- Лит

гк;: к;-тн„„„.

- шаг квантования ЦАП,

и(, . .

(18)

Мб,

где Кц - коэффициент передачи аттенюатора. Тогда

h-h-

h SjMii Hi2JM « Jmwc .).з

Следователйно,

r 4b.R26a)(R ,.5 .,йд)К

1 - Т -г)

гк,,:ж Г)

Ц(ЧП 1Й

-i6i

1V

(20)

Номинальное значение К равно i °

При использовании прецизионных резисторовS погрешность К не более ±0,01 %о Аналогично, при погрешность этих резисторов дает суммерный вклад в погрешность л h не более . Разброс сопротивлений открытых ключей микросхем 590КН2 и 590КН7 составляет не более ±0j25 Ом,

При Кцд,н,,к,5 « R,R..-R«,

50 Ом разброс сопротивлений открытых ключей дает суммарныйвклад в

О 25 погрешность& h не более ТОАП+ЦО

,095%, Следовательно суммарная погрешность Ь h от действия всех источников погрешности, входящих в выражение (20), составляет не более 0,115%, Отсюда максимальное значение 1 случайной составляющей погрешности преобразования, вызванной рассогласованием д h масштабов шкал аналого- цифрового преобразования, при составляет

l MAh jg§p2.,3h;. (21)

, р(ц+. v.Q.)ri при ,V(i+l).Q.;

J СО при всех остальных значениях V

гдeйQ - значения погрешности напря- . так как коэффициент г, введенный в жения разравнивания; (23), близок к единице и . Та30 КИМ образом, дифференциальная нелиdi - разрядные цифры в двоичной записи числа С , принимают

нейность шкапы разравнивания предлагаемого устройства примерно в раз меньшеJ чем у прототипа. Если в прототипе и предлагаемом устройстве

значение О и 1,

и

(R.. )к. ,

15

16

,, (23)

.и(С,2П

V (n-m),

где и (n-m) - напряжение, соответст- вующее разряду с номером K(n-m) ЦДЛ 7;

((,) Тогда погрешность & QJ можно выразить через погрешности напряжений разрядов ДАЛ;

AQ, . ,(п-т). (24) -

Обычно у ЦАП суммарная погрешность не превышает единицы младшего разряда и, поэтому можно принять

, ,ьи(п-т)|

-Щ.

тогда из

(24) получаем

AQ;

. L. . у, . J мохе 2 2

Следовательно, из-за рассогласования масштабов шКал в предлагаемом устройстве при отсутствии остальных источников погрешностей кванта имеет Лормл равнобедренной

трапеции, нижнее и верхнее основание которой равны ,,3 h и 0,7 h , а высота равна . Коэффициент качества профиля кванта К 0,925. При таIких параметрах профиля кванта не требуется настройки для согласования масштабов шкал преобразования и разравнивания.

Рассмотрим влияние слагаемого ДО - выражения ( 10) на случайную

тавляющзло погрешности преобразования. Это слагаемое отр ажает влияние дифференциальной нелинейности шкал. разравнивания. Допустим, что в АЦП отсутствуют все остальные источники погрешностей кроме ршибки сигнала разравнивания л Q j. В этом случае выражение (10) принимает вид

нейность шкапы разравнивания предлагаемого устройства примерно в раз меньшеJ чем у прототипа. Если в прототипе и предлагаемом устройстве

35 использовать ЦАП с дифференциальной нелинейностью v единица младшего разряда, то из выражений (22) и (26) видно, что профиль кванта за счет дифференциальной нелинейности шкалы

40 разравнивания у прототипа имеет в основании 3 h , а в данном устройстве для h( 1+2/2 - ) . Максимальное значение случайной сос- тавляюще погрешности преобразования

45 составляет соответственно h

и

1/16

5

Ъ., Таким образом., цифровое п 1ноке- ние числа разравнивания на последу1€щее ослабление напряжения разравнивания увеличивает точность в 0 предлагаемом устройстве. Кроме того, при этом уменьп;ается вклад собственных шумов 3 шумы сигнала раз- разнивания, что также увеличивает точность АЦП,

Формула -изобретения

1„ Аналого-цифровой преобразова- .тель, содержаний компаратор, цнфро

аналоговый преобразователь, аналого- .вый сумматор, выход которого соеди- ,нен с информационным входом аналоговго запоминающего устройства, регистр последовательного приближения, выход которого соединены с соответствующими первыми информационными входами цифрового сумматора, выходы которого являются выходной шиной, а вторые информационные входы соединены с соответствующими выходами генератора чисел разравнивания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены источник опорного напряжения, аналоговый коммутатор, аттенюатор, цифровой коммутатор и распределитель импульсов, вход которого является входной шиной Пуск, первый выход соединен с входом управления аналогового запоминающего устройства, выход которого подключен к первому информационному входу аналогового коммутатора, а второй информационный вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а информационные входы соединены с соответствующиг-ш выходами цифрового коммутатора, первые и вторые информационные входы которого соответственно соединены с соотватствующими выходами регистра последовательного приближения и генератора чисел раз- равнивания., вход управления которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены с управляющими входш 1И соот- ветственно цифрового сумматора, цифрового коммутатора и аналогового коммутатора,, первый и второй выходы

которого соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, третий выход через аттенюатор соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого является входной информационной шиной, шестой выход распределителя импульсов подключен к тактовому входу регистра последовательного приближения, информационный вход которого подключен к выходу компаратора.

Н о

оа

t3 lo э ««

«м

сг

:э в

РО

С I CQ

LPJ

J5

ча

to

о

SS5

Qj