Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1991 года по МПК H03M1/06 

Изобретение относится к цифровой измерительно-вычислительной технике и может быть использовано для высокоточного преобразования низкоуровневых аналоговых сигналов в цифровые.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема вычислительно-управляющего блока; на фиг. 3-5 - алгоритм работы преобразователя в режиме самоповерки; на фиг. 6 - алгоритм работы преобразователя в режиме непосредственного преобразования сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит входную шину 1. термостатированный источник 2 опорного напряжения (Т И ОН), шину 3 нулевого потенциала, аналоговый коммутатор (АК) 4. усилитель 5. аналоговый коммутатор 6. преобразователь

7 напряжение - код, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8. делитель 9 напряжения (ДН). вычислительно-управляющий блок (ВУБ) 10, выходную шину (В ЫХ) 11, шины 12 Запуск и 13 Начальная установка, выходы 14-19 вычислительно-управляющего блока 10, входы 20 и 21 вычислительно-управляющего блока, выходы 22 вычислительно-управляющего блока 10.

Вычислительно-управляющий блок (фиг. 2) содержит центральный процессор 23, блок 24 постоянной памяти, блок 25 оперативной памяти, блок 26 дешифраторов, блок 27 вывода информации и блок 28 ввода информации.

Особенностью устройства является исключение из результата преобразования аддитивной и мультипликативной погрешностей, погрешности нелинейности и температурной погрешности усилителя 5.

Для коррекции погрешности нелинейности, аддитивной и мультипликативной поё

Оч

2

OJ

о

Os

грешностей применяется кусочно-линейная аппроксимация преобразовательной характеристики усилителя 5 по некоторому числу предварительно снятых точек. При этом для каждого 1-го участка преобразовательной характеристики

UB

д| +st и

вх,

где Д| - смещение нулевого уровня на 1-м линейном участке прямой преобразовательной характеристики;

Si1 -чувствительность прямой преобразовательной характеристики на 1-м участке;

UBX - напряжение, подаваемое на вход усилителя 5;

1)вых - выходное напряжение усилителя 5, соответствующее входному напряжению.

Устройство функционирует в двух режимах: режиме самоповерки и режиме непосредственного преобразования.

Режим самоповерки состоит из трех этапов.

На первом этапе после запуска устройства вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал с выхода 14, коммутирующий выход цифроаналогового преобразователя 8 на первый вход преобразователя 7. На выходах 22 вычислительно-управляющий блок 10 последовательно формирует коды Ki . К2 ... KN . Каждому из этих сигналов на входе корректирующего цифроаналогового преобразователя 8 соответствуют сигналы Ai, A2... AN на его выходе. В начале каждого цикла аналого-цифрового преобразования вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал с 19, запускающий преобразователь 7. По окончании цикла преобразования преобразователь 7 выдает сигнал Готов, поступающий на вход 20 вычислительно-управляющего блока 10. По этому сигналу код KI с первых выходов преобразователя 7 переписывается в блок 25 вычислительно-управляющего блока 10, после чего устройство переходит к следующему циклу преобразования.

В результате в блоке 25 вычислительно- управляющего блока 10 формируется массив входных значений {Ki} прямой преобразовательной характеристики усилителя 5. Далее вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал 18, коммутирующий на вход усилителя 5 первый выход делителя 9, и сигнал с выхода 14, подключающий первый вход преобразователя 7 к выходу усилителя 5. Вычислительно-управляющий блок 10 на выходы 22 последовательно выдает сигналы Ki , Ка ... Км , поступающие на входы цифро-аналогового преобразователя. Соответствующие им значения выходного сигнала Ai, А2..,Ам поступают через делитель 9 на вход устройства.

Вычислительно-управляющий блок 10 в

начале каждого цикла преобразования выдает сигнал с выхода 19, запускающий преобразователь 7. Сигнал Готов на входе 20 вычислительно-управляющего блока 10 свидетельствует об окончании цикла преобразования.

На первый вход усилителя 5 в каждом цикле преобразования поступает сигнал

15

AI AI Кдн ,

где Кдн - коэффициент деления делителя 9, причем Кдн 1 /Кус, Кус - коэффициент усиления.

Сигнал с выхода усилителя 5 поступает

на вход преобразователя 7, на первых выходах которого формируется соответствующий код Ki .

Результат работы устройства - формирование в блоке 25 вычислительно-управляющего блока 10 массива входных значений {Ki } прямой преобразовательной характеристики усилителя 5,

Вычислительно-управляющий блок 10 вычисляет коэффициенты чувствительности

характеристики для каждого 1-го интервала линейности прямой преобразовательной характеристики усилителя:

Si1 (Ki+i1- Ki1) /(Ki+i-Ki)

обратной преобразовательной характеристики:

Si-1/Si1 .

Смещение нулевого уровня на 1-м интервале линейности прямой преобразовательной характеристики усилителя вычисляется вычислительно-управляющим блоком 10 по формуле

Д| К| + 1 - К, + 1 Si,

50

обратной преобразовательной характеристики Д -Д|/8|

55Таким образом, результат работы устройства на первом этапе режима самоповерки - формирование в блоке 25 вычислительно-управляющего блока 10 таблицы коэффициентов { Д } , { Si}.

В начале следующего этапа режима самоповерки вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал 14, коммутирующий выход усилителя 5 на первый вход преобразователя 7, и сигнал 17, подключающий шину нулевого потенциала на вход усилителя 5. На выходе 19 вычислительно-управляющего блока 10 формируется сигнал Пуск, поступающий на второй вход преобразователя 7. Происходит кодирование нулевого потенциала, по окончании которого на втором выходе преобразователя 7 формируется сигнал Готов. Полученный код KZERO с выходной шины преобразователя 7 заносится в блок 25 вычислительно-управляющего блока 10.

Коррекция нелинейности усилителя 5 осуществляется следующим образом.

Вычислительно-управляющий блок 10 определяет принадлежность значения KZERO одному из интервалов линейности обратной преобразовательной характеристики путем( последовательного сравнения величины KZERO с граничными значениями интервалов Ki . K21 ...KN , полученными на первом этапе режима самоповерки и хранящимися в блоке 25 вычислительно-управляющего блока 10.

Из таблицы коэффициентов, сформированной на первом этапе режима самоповер- ки, извлекаются соответствующие определенному к-му рабочему интервалу обратной преобразовательной характеристики значения & и 5к. Скорректированный выходной код вычисляется по формуле

KZERO -KZERO SK + AK

и заносится в блок 25 вычислительно-управляющего блока 10. ,

Полученное на втором этапе режима самопо- верки значение KZERO используется для кор- рекции аддитивной погрешности (погрешности нуля) преобразовательной характеристики усилителя 5.

В начале третьего этапа режима самоповерки вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал 14, коммутирующий на первый вход преобразователя 7 выход усилителя 5, и сигнал 16, коммутирующий выход термостатированного источника 3 на вход устройства. На выходе 12 вычислительно-управляющего блока 10 формируется сигнал, запускающий преобразователь 7. По окончании кодирования выходного сигнала термостатированного источника 2 на втором выходе преобразователя 7 формируется сигнал Готов. Полученный код Ктион с первых выходов преобразователя 7

переписывается в блок 25 вычислительно- управляющего блока 10.

Коррекция нелинейности усилителя 5 осуществляется по принципу, описанному выше. В результате коррекции нелинейности в блок 25 записывается значение Ктион. Аддитивная погрешность преобразования корректируется вычитанием из кода Ктион, значения KZERO:

Ктион Ктион - KZERO.

Полученное значение отличается от кода Кокк, соответствующего выходному напряжению термостатированного источника 2, вследствие температурного ухода параметров устройства. Значение Кокк измеряется на этапе изготовления устройства и заносится в блок 24 вычислительно-управляющего блока 10.

Корректирующий масштабный коэффициент Км определяется из соотношения

Км Кокк/Ктион.

25

Для коррекции погрешности масштаба каждое значение массива коэффициентов { Д } и { Si } умножается на найденный коэффициент Км.

В режиме непосредственного преобразования (фиг. 6) входной аналоговый сигнал Uex поступает на входную шину 1. Вычислительно-управляющий блок 10 выдает сигнал 15, коммутирующий входную шину 1 устройства на первый вход усилителя 5, и сигнал 15, коммутирующий выход усилителя 5 на первый вход преобразователя 7, запущенного сигналом 19 вычислительно-управляющего блока 10. По сигналу Готов на втором

выходе преобразователя 7 код КВых с первых выходов преобразователя 7 переписывается в блок 25 вычислительно-управляющего блока ЮВычислительно-управляющий блок 10

выполняет коррекцию погрешностей нелинейности, аддитивной и мультипликативной с учетом данных, полученных в режиме самоповерки. Определяется принадлежность

значения КВых одному из интервалов линейности обратной преобразовательной характеристики путем последовательного сравнения величины КВЫх со значениями К1,К2,...Км, полученными на первом этапе

режима самоповерки и хранящимися в блоке 25 вычислительно-управляющего блока 10. Из таблицы коэффициентов извлекаются соответствующие к-му рабочему интервалу обратной преобразовательной характеристики значения Л и SK. скорректированный выходной код вычисляется по формуле

Квых - KB

SK + Ak- KZERO

и поступает на выходную шину 11 устройства. На этом работа в режиме непосредственного преобразования закончена.

Формула изобретения

1. Аналого-цифровой преобразователь, содержащий усилитель, преобразователь напряжение - код. вычислительный управляющий блок, первые выходы которого соединены с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, а вторые выходы являются выходной шиной, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, п него введены делитель напряжения и последовательно соединенные термостатированный источник опорного напряжения, первый аналоговый коммутатор, а также второй аналоговый коммутатор, выход которого соединен с первым входом преобразователя напряжение - код, второй вход которого соединен с третьим выходом вычислительно-управляющего блока, первые выходы преобразователя напряжение - код соединены с соответствующими первыми входами вычислительно-управляющего блока, второй вход которого соединен с вторым выходом преобразователя напряжение - код, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой выходы вычислительно-управляющего блока соединены соответственно с первым входом второго аналогового коммутатора и вторым, третьим, четвертым и пятым входами первого аналогового коммутатора, шестой вход которого соединен с первым выходом делителя напряжения, а седьмой и восьмой входы являются соответственно шиной нулевого потенциала и входной шиной, второй вход второго аналогового коммутатора соединен с вторым выходом делителя напряжения, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, второй вход является шиной нулевого потенциала, третий и четвертый входы вычислительно-управляющего блока являются соответственно шинами Запуск и На-чальная установка, первый вход усилителя соединен с выходом первого аналогового коммутатора, второй вход является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с третьим входом второго аналогового коммутатора.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а га- щи и с я тем, что вычислительно-управляющий блок выполнен на центральном процессоре, блоке постоянной памяти, блоке

оперативной памяти, блоке дешифраторов, блоке ввода информации и блоке вывода информации, входы Готовность и Сброс центрального процессора являются соответственно третьим и четвертым входами

блока, адресные выходы подключены к соответствующим адресным входам блока по- стоянной памяти, блока оперативной памяти, блока дешифрации, блоков ввода и вывода информации, информационные входы-выходы подключены к соответствующим информационным выходам блока постоянной памяти, информационным входам-выходам блока оперативной памяти, информационным входам блока вывода информации, выходам блока ввода информации, выход Запись подключен к выходу записи-считывания блока оперативной памяти, вход разрешения работы которого подключен к первому выходу блока дешифрации, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входами разрешения работы блока постоянной памяти и блоков вывода и ввода информации, пятый выход является третьим выходом

блока, первые и второй информационные входы блока ввода информации являются соответственно первыми и вторыми входами блока, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестые и седьмые выходы блока

5 вывода информации являются соответственно четвертым, восьмым, седьмым, шестым, пятым, первыми и вторыми выходами блока.

Фиг. 2

(1+1

Подача i-ou Вспопогатель- ной величины л/ на 8коЗ ПАП

В

L

Кввчрадоние Уеничины к; без усиления - код л/

нет

Яуог ЛЦЛ

Подача 1-ой аспонегател ый Величины KI на dxoi ЦАП

11

±

КоОираЙание Величины к без ycufliHut - получение нова KJ

нет

Изобретение относится к цифровой измерительно-вычислительной технике и может быть использовано для преобразования аналоговых низкоуровневых величин в цифровые. Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Это достигается тем, что в устройство, содержащее усилитель, преобразователь напряжение - код, цифроаналоговый преобразователь, вычислительно-управляющий блок, введены два аналоговых коммутатора, делитель напряжения, термостатированный источник опорного напряжения. 1 з.п. ф-лы. 6 ил.

/4

15

Определение коэффициента чувствительности на t-n интервале линейности пряной преобразовательной характеристикиfi-(Ki.i-Ki)/(KM-Kt) обратной характеристики:

Si-1/Si

16

Определение смещения нулевого уровня на 1-п интервале линейности пряной преодразо- Ватель/юй характеристики:

4/ tV- /+ru ; обратной характеристики

л/-л. А

нет

Подключение на вход устройства шины нулевого потенциала

1Q

Определение кода K ZЈRO

20

Коррекция погрешности нелинейности: ,

Кгеко - KZERO -$к + к

21

Подключение на дход устрой- cmffa термостатиробанного источника опорного напряжения

22

Определение кода К

JHOH

23

Коррекция погрешности .нуля Кгион ктюн гена

2Ь

Коррекция погрешности нелинейности:

Ктион - К гнон 5к + А к

25

Вычисление масштабного коэффициента

К Кокк /Ктион

26

27

1 1+1

- 28 - &i л,-Лл

нет

Фиг. 5

Подача на вход устрой- tm6a изперяеного сиенал

Uffx

у

Кодирование У6 - получение кода

Определение интервала линейности преобразовательной характеристики

6 L

Коррекция результата измерения.Кбых К9ых 8к +АК -Кино

Выдача результата на Выходную шину

Начало

)

-

V у

1

1

1

д

I

Конец

)