Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1989 года по МПК H03M1/14 

fWзь,.Kд,„кK(t, )-AM(t,)±KbN K,JlIg,(t, )-K,,,H,+u,,(t,+-,)J при 1 ,,, ,,riKtUe,(t, )-u,,(t,)t,.npH N.N,,,,

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в цифровых измерительных системах, устройствах ввода аналоговой информации в цифровые вычислительные машины. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь,.содержащий аналого-цифровые преобразователи 1 и 2, цифроаналоговый преобразователь 3, вычитатель 4, управляемый усилитель 5, цифровой умнозкитель 6, арифметическое устройство 8, генератор 12 тактовых импульсов, генератор 16 начальной установки, счетчик 15 импульсов, элементы 13, 14 задержки, введены цифровой умножитель 7, накапливающий сумматор 9, регистр 10, блок 11 памяти, элемент ИЛИ 17, арифметическое устройство вьтолнено в виде цифрового сумматора-вычислителя.1 ил. (Л

При неизменном входном напряжении .(t) и принебрежении малыми ошибками А1Щ 1 и ПАП 3 достаточно, чтобы вес старшего разряда кода N бьш равен половине веса младшего разряда кода N,. При этом коэффициент усиле- НИН управляемого усилителя 9 Кц должен быть равен Ki.2 , где S - число двоичных разрядов А1Щ 2, что обеспечивается подачей на входы ЦАП 3 кода

. Н1,,,,

Такое значение и устанавлива- ется на входах ИДИ 20 в начальный момент работы. Для этого код Nцaц запи- сьшается в блок 11 по адресу 000... О, который устанавливается на адресных входах блока 11 в первый момент времени после включения устройства вследствие обнуления выходного кода регистра 10 по приходу импульса с ГНУ 16.

Установление такого коэффициента усиления Ки управляемого усилителя 9 при неизменном входном напряжении обеспечивает равенство значения максимального выходного напряжения управляемого усилителя 9 и максималь- ного значения допустимого напряжения входного АЦП и минимизацию статических погрешностей преобразования, а при выполнении условий:

,. цйп/К

подавляется, и динамическая погрешность, при этом

N,,,rKK,,(t,)+&.,(t,)

.Однако за время между моментами), фиксации кодов N, и N/i , то есть между моментами времени t, и () , входное напряжение Ug(t-) может измениться на величину ± Д j(t,,), поэтому АЦП 3 преобразует в код не ТОЛЬКО усиленное значение uki(t(), а и усиленную величину (UK (tO (t, + - - этом выходное напряжение управляемого усилителя 5 может превысить значение допустимого диапазона входного напряжения АЦП 3, и код N,; будет равен Г. Выходной код устройства в этом случае равен

5

0

0 5

0

5

0 5

вь,Г™, /«акс.-.

И определяется с динамической погрешностью.

/1ля исключения подобных ситуаций необходимо уменьшить коэффициент усиления К U, управляемого усилителя 5, а с тем, чтобы функциональная характеристика преобразователя не изменилась, аналогично увеличить коэффициент передачи цифрового умножителя 6 по входам кода N2- Уменьшение коэффициента усиления KI приведет к увеличению статической погрешности преобразования, максимальная полная погрешность преобразования уменьшится.

Однако изменение коэффициента усиления К,, должно быть таким, чтобы при исключении с большой вероятностью диапазона допустимого входного напряжения АЦП 2 значением выходного напряжения в управляемом усилителе 5 это изменение минимально отразилось на статической точности преобразования.

С другой стороны, в последуюших циклах преобразования величина изменения i и a(t, ) входного напряжения U.Jt) может быть меньше, чем в предыдушкх циклах. При этом коэффициент усиления Kii можно вновь увеличить, а чтобы функциональная характеристика преобразователя при этом не изменилась, соответственно уменьшить коэффициент передачи цифрового умножителя 6 по входам кода Nj. Увеличение Ка приведет к уменьшению статической погрешности преобразования и уменьшению его полной погрешности.

Однако увеличение коэффициента усиления -Ки. должно быть таким, чтобы вероятность превьшшния диапазона допустимого входного напряжения АЦП 2 значением выходного напряжения в последуюших циклах преобразования не стала вьш1е заданного уровня. Эту вероятность можно оценить, зная текущие динамические характеристики входного сигнала.

Таким образом, для постоянного поддержания оптимального соотношения

7

меткду статической и динамической погрешностями преобразования оценка необходимой степени изменения (уменьшения или увеличения) величины коэффициента усиления К

v,i должна производиться периодически по текупщм значениям динамических характеристик входного сигнала и на основе их периодически корректироваться. Это производится, следующим образом.

)(арактеристикой, определяющей динамические характеристики .входного сигнала и вероятность превышения выходным напряжением управляемого усилителя 5 величины допустимого диапазона входного напряжения А1Щ 2, является среднеквадратическое отклонение (У сигнала на входе управляемого усилителя 5. Дпя большинства реал ных входных сигналов величину напряжения на входе управляемого усилителя 5 в момент фиксации кода N, на выходах А1Щ 2 можно считать случайно

Таким образом, после каждого Lr-ro цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора На выход регистра 10 с выхода накапливающего сумматора 9 переписывается

величиной, распределенной по нормаль- 25 код, определяющий дисперсию сигнала

ному закону и центрированной относительно нулевого значения. При этом коэффшщент усиления Кц необходимо выбирать из условия

на входе управляемого усилителя 5, и по этому коду из блока I1 выбира ется код N , определяющий необходимый коэффициент усиления К,, . Вслед,К К,, N

уакс

Тогда, если входной процесс стационарен, вероятность того, что код в последующих измерениях превысит значение , будет пренебрежительно мала Если рассматриваемый сигнал не стационарен, то значение 0 будет меняться, при этом значение К должно периодически корректироваться. Так как изменение коэффициента усиления K.L и коэффициента передачи цифрового умножителя 6 по входам кода N не изменит общую функциональную характеристику устройства, оценить диспер- 5 ты устройства; выбор коэффициента

сию сигнала на входе управляемого усилителя 5 можно по дисперсии сигнала на выходе цифрового умножителя 6. Код М на выходе накапливающего сумматора 9 после каждого L-ro цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора 2 определяется как

усиления KU осуществляется в соотв ствии с динамическими характеристи ками входного сигнала, оценка кото рых производится за конечное число 5Q L предшествующих циклов преобразов ния.

Число L, с одной стороны, выбир ется из условия достаточности стат gg стической выборки, т.е. заданной точности оценки величины D, приче число L растет с увеличением задан ной точности оценки. С другой стор ны, число L выбирается из характер

м r(Nt)e

,L,

равен дисперсии DX величины кода центрированной относительно нулевого значения, т.е.,

2,

.

(N)

L

Тогда можно определить необходимый коэффициент усиления следующим образом.

г

к, .- .

3 T-(N) к етг

Затем вычисляются коды N , определяющие для различных значений М 1Ю(, характеризующих текущие дина- мические характеристики входного

сигнала, соответствующие им необходимые значения коэффициентов усиления Kii, и заносятся по адресам, равным кодам М, в блок 11,

Таким образом, после каждого Lr-ro цикла преобразования с момента обнуления накапливающего сумматора На выход регистра 10 с выхода накапливающего сумматора 9 переписывается

код, определяющий дисперсию сигнала

на входе управляемого усилителя 5, и по этому коду из блока I1 выбирается код N , определяющий необходимый коэффициент усиления К,, . Вследствие этого исключается с заданной вероятностью превышение выходным на- пряже нием управляемого усилителя 5 величины допустимого диапазона входного напряжения АЦП 2 и для выбранной вероятности устанавливается оптимальное соотнощение статической и динамической погрешностей преобразования.

В отличие от .прототипа, в описанном преобразователе не фиксируется наихудший случай, характеризующийся максимальной скоростью изменения входного напр яжения Ug(t) за весь предшествующий период с начала рабоусиления KU осуществляется в соответ- ствии с динамическими характеристиками входного сигнала, оценка которых производится за конечное число 5Q L предшествующих циклов преобразования.

Число L, с одной стороны, выбирается из условия достаточности стати- gg стической выборки, т.е. заданной точности оценки величины D, причем число L растет с увеличением заданной точности оценки. С другой стороны, число L выбирается из характерис1451856

10

тик изменчивости измеряемого нестат ционарного процесса.

Для того, чтобы погрешность определения D не сказалась на работе устройства, ее необходимо учесть, ис- полъ-зуя следующее соотношение:

OK КАЦП- d

bioo4w.

аналого-цифрового преобраяопателя, аналоговый вход которого соединен с выходом управляемого усилителя, тактовый вход объединен с входом первого элемента задержки и соединен с выходом второго элемента задержки, вход которого объединен с тактовым входом первого аналог о-цифрового пре- 10 образователя И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выходы первого цифрового умножителя соединены с соответствующими вторыми информационными входами арифметическо- 15 го устройства, выходы которого являются выходной шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены второй 1щфровой умножи- 120 тель, накапливающий сумматор, регистр, блок памяти,, элемент ИЛИ, а ари етическое устройство выполнено в виде цифрового сумматора-вычитате- ля, управляющий вход которого сое- соде ржащий арифметическое устройство, 25 динен с выходом знакового разряда источник импульсов, первый и второйвторого аналого-цифрового преобразователя , причем выходы первого цифгде - заданная относительная погрешность определения величины D в процентах. Кроме того, выполнение этого условия делает данное устройство менее критичным к динамическим всплескам входного сигнала на кратковременных интервалах, характеризующихся высокой /скоростью изменения входного напря- 7кения ).

Формула

изобретения

Аналого-цифровой преобразователь.

аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговый преобразователь, вы- читатель, управляемый усилитель, первый цифровой умножитель, генератор начальной установки, генератор тактовых импульсов, первый и второй элементы задержки, аналоговый «ход пер-- вого аналого-цифрового преобразователя и первый вход вычитателя объединены и являются входной шиной, выходы первого аналого-цифрового преобразо- вателя соединены с соответствующими . входами цифроаналогового преобразоварового умножителя соединены с соответствующими первыми и вторыми входа- 30 ми второго цифрового умножителя, вы- ходы которого соединены с соответствующими входами данных накапливающего сумматора, вход записи которого объединен со счетным входом счетчика импульсов и соединен с выходом пер-. вого элемента задержки, вход сброса накапливающего сумматора соединен с выходом элемента ИЛИ, первьй вход которого объединен с входами сброса ре35

теля и первыми информационными входа- до гистра, счетчика импульсов и соединен

ми арифметического устройства, второй вход вычитателя соединен с вьпсо- дом цифро аналогового преобразователя, выход вычитателя соединен с аналоговым входом управляемого усилителя, цифровые входы которого объединены с соответствующими первыми входами первого цифрового умножителя, вторые входы которого соединены с соответствующими цифровыми выходами второго

с выходом генератора начальной установки, второй вход элемента ИЛИ объединен с входом записи регистра и соединен с выходом переполнения счет- дс чика импульсов, входы данных регистра соединены с соответствующими выходами накапливающего сумматора, а выходы регистра через блок памяти объедине- Hbi с соответствующими цифровыми вхосп дами управляемого усилителя, эи

10

рового умножителя соединены с соответствующими первыми и вторыми входа- 30 ми второго цифрового умножителя, вы- ходы которого соединены с соответствующими входами данных накапливающего сумматора, вход записи которого объединен со счетным входом счетчика импульсов и соединен с выходом пер-. вого элемента задержки, вход сброса накапливающего сумматора соединен с выходом элемента ИЛИ, первьй вход которого объединен с входами сброса ре35

гистра, счетчика импульсов и соединен

с выходом генератора начальной установки, второй вход элемента ИЛИ объединен с входом записи регистра и соединен с выходом переполнения счет- чика импульсов, входы данных регистра соединены с соответствующими выходами накапливающего сумматора, а выходы регистра через блок памяти объедине- Hbi с соответствующими цифровыми входами управляемого усилителя,