Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей Советский патент 1980 года по МПК H03K13/20 

1

Изоб.ретение относится к измерительной технике и може быть использовано в системе автоматического измерения, а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической 5 цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной -погрешностей преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобра- Ю эователь с автоматической калибровкой, содержащий источники измеряемого и двух эталонных напряжений, выходы которых через аналоговый коммутатор соединены с преобразователем на- 15 пряжение-частота, реверсивные счетчики, генератор эталонной частоты, устройство управления и элементы И, кроме того, он содержит регистры памяти, дешифраторы и блок сравнения. В ана- 20 лого-цифровом преобразователе с автоматической калибровкой по команде Калибровка устройство управления начинает поочередно подключать к входу преобразователя напряжение-частота 25 источники первого и второго эталонных напряжений. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в реверсивных счетчиках и регистрах памяти не -установится с заданной степенью точное- 0

ти значение множителя смешения нуля (начальной установки) и множителя калибровки (времени измерения), которые при измерении неизвестного напряжения компенсируют погрешности ухода нуля (аддитивная погрешность) и изменения крутизны (мультипликативная погрешность) преобразователя напряжение-частота. Другими словами, после нескольких циклов калибровки методом последовательного приближения вырабатываются значения начальной установки и времени измерения, при которых, независимо от изменения характеристики преобразователя напряжениечастота, коды, соответствующие нулевому и полномасштабному .значениям напряжений (нижней и верхней границам) , равны с заданной степенью точности ,заданным ij.

Недостатком устройства является пониженное быстродействие преобразователя, обусловленное тем, что значения множителя смещения нуля и множителя калибровки вырабатываются после нескольких инеративных циклов калибровки, т.е. нескольких циклов последовательного приближения.

Известен аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешq

ностей, содержащий источники измеряемого и двух эталонных напряжений, преобразователь напряжение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с источниками напряжений, блок управления, первые три входа которого соединены с аналоговыми переключателями, первый, второй, третий, четвертый элементы И, первые входы которых соединены с четвертым пятым, шестым и седьмым выходами блока управления соответственно, а вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом преобразователя напряжение-частота, первый и второй реверсивные счетчики, входы которых соединены с выходами первого второго, третьего и четвертого элементов И соответственно, генератор опорной частоты, первый и второй суммирующие счетчики, выход второго суммирующего счетчика соединен с входом блока управления, двоичный умножитель входы которого соединены с выходами первого суммирующего и второго реверсивного счетчиков, а выход соединен с входом второго суммирующего счетчика, элемент ИЛИ, входы которого соединены .с четвертым и пятым выходами блока управления,пятый элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора эталонной частоты, второй вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход соединен с входом первого суммирующего счетчика, причем вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом преобразователя напряжение-частота 2 .

Недостатком является пониженное быстродействие преобразователя, обусловленное тем, что имеются 3 подтакта калибровки и только после этого следует такт измерения. При этом длительность третьего подтакта калибровки и равная ей длительность такта измерения сравнимы с длительностью первого подтакта кгитибровки и в частности, равны ему, если преобразователь напряжение-частота не имеет погрешностей ухода нуля и изменения крутизны. Кроме того, недостатком известного устройства является сложность конструкции, например блока управления , параметры команд которого зависят от величины измеряемого напряжения.

Цель изобретения - повьлшение быстродействия и точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем что в ансшого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией norpeuJHOcтей, содержащий первый и второй источники эталонного напряжения, источник измеряемого напряжения, которые через первый, второй и третий аналоговые ключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, выходы первого и второго элементов И. соединены с вычитающим и сумг- ируюдим входами первого счетчика соответственно, выходы первого и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами второго счетчика соответственно, третий счетчик, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и третьего счетчиков, генератор, четвертый и пятый элементы И, введены первый и второй триггеры, делитель и сдвигающий регистр, причем шина начальной установки соединена с установочными входами делителя сдвигающего регистра, счетчиков и триггеров, а выходы сдвигающего регистра соединены со вторыми входами аналоговых ключей и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, а вход - с выходом делителя, входом подключенного к выходу генератора и первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с входом третьего счетчика, выход второго счетчика соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И, при этом единичный вход первого триггера соединен с выходом пятого элемента И, а нулевой вход - с выходом двоичного умножителя .

На чертеже представлена структурна схема аналого-цифрового преобразователя, содержащего источник 1 первого эталонного напряжения UQ, источник 2 второго эталонного напряжения и,, аналоговые ключи 4,5 и 6, преобразователь напряжение-частота 7, сдвигающий регистр 8, делитель 9, первый, второй и третий счетчики 10, 11 и 12, генератор 13, элементы И 14, 15, 16, 17 и 18 двоичный умножитель 19, триггеры 20 и 21, шину начальной установки 22.

Источник 1 первого эталонного напряжения OQ предназначен для задания постоянного напряжения, величина которого не превосходит нижней границы диапазона измеряемых напряжений. Например, если измеряемые напряжения Uj находятся в диапазоне от О до 1 В, то вличина напряжения Uo Од. Источник 2 второго эталонного напряжения и f предназначен для задания постоянного напряжения, величина которого не ниже верхней границы диапазона измеряемых напряжений. Например, если измеряемые напряжения Uj находятся в диапазоне от О до 1 В включительно, то величина напряжения UfT,.lB. Источник 3 измеряемого напряжения DX задает постоянное напряжение, значение которого требуется представить в цифровом вице. Аналоговые ключи 4,5,6 предназначены для поочередного подключения источников 1,2 и 3 ко входу преобра зователя напряжение-частота 7. Преоб разователь напряжение-частота 7 осу дествляет преобразование величины входного напряжения в частоту, причем преобразователь имеет как аддитивную погрешность (ухода нуля), та и мультипликативную погрешность (из менение крутизны характеристики). Сдвигающий регистр 8 предназначен для управления аналоговыми ключами 4,5,6. Регистр 8 имеет 3 разряда, которые подключены к управляющим входам аналоговых ключей и ко входам элементов И 14, 15, 16. Делитель 9 представляет собой счетчи.к постоянной емкости, выход которого связан с тактирующим (сдвигающим) входом регистра 8. Счетчик 10 двоичный реверсивный счетчик. Счетчик 11 - счетчик результата измерения напряжения U . Счетчик 12 - реверсивный счетчик. Генератор 13 пред назначен для получения стабильной (постоянной) частоты. Он может быть выполнен на базе кварцевого генерато ра. Для нормального функционирования устройства достаточно, чтобы частота генератора 13 отвечала соотношению РП г. .Max , ({ const. - частота генератора - максимальная частота, которую может формировать на своем выходе преобразо ватель напряжениечастота 7. Соотношение (1) поясним ниже после рассмотрения работы устройства. Двоичный умножитель 19 предназначен для формирования количества импульсов., отвечающих соотношению где Мд.у количество импульсов на ходе двоичного умножител число в счетчике 10; число в счетчике 11; емкость каждого из счетчиков 10 и 11. Примером двоичного умножителя мож служить микросхема К155ИЕ8, один кор пус которой позволяет подключить сч чик на б разрядов, т.е. , два следовательно подключенных корпуса К155ИЕ8 - на 12 разрядов, т.е. и т.д. Устройство работает следующим об разом. По команде Начальная установка поступающей на шину начальной уста новки 22, делитель 9 и счетчики 10, 11 и 12 обнуляются, триггеры 20 ,и 21 устс1навливаются в О состояние, в первый разряд сдвигаклцегй рёгистра 8 записывается 1, во второй и третий разряды регистра записывается О. Этот момент является моментом начала работы устройства. Единичный сигнал с выхода первого разряда регистра В является разрешением на замыкание переключателя 4 и разрешением на прохождение сигнала по первому входу элемента И 14. Источник 1 первого эталонного напряжения оказывается подключенным ко входу преобразователя напряжение-частота 7, а чатота с выхода этого преобразователя поступает через элемент И 14 на вычитающие входы счетчиков 10 и 12. Этот процесс продолжается до поступления на тактирующий (сдвигающий) вход регистра 8 импульса переполнения с выхода делителя 9. Длительность первого такта измерения определяется выражением: const. Е - емкость делителя; F - частота генератора 13. Для. предлагаемого прибора величины Е и F постоянны. течение времени Tv, в счетчики 10 и 12 запишется Г Ч Ki , г , Nj F, . Т к число в счетчике 10 (и счетчике 12); частота на выходе преобразователя 7, соответствующая эталонному напряжению UQ. Момент сдвига 1 с первого разряда регистра 8 во второй разряд этого регистра является началом второго такта измерения Единичный сигнал с выхода второго разряда регистра 8 дает разрешение на замыкание ключа 5 и разрешение на прохождение сигнала по первому входу элемента И 15. Источник 2 второго эталонного напряжения оказывается подключенным ко входу преобразователя 7, а источник 1 отключается, так как в первом разряде регистра 8 остается О. Частота с выхода преобразователя 7 через элемент И 15 поступает на суммирующий вход счетчика 10. -Этот процесс продолжается до поступления на тактирующий вход регистра 8 второго импульса переполнения с выхода делителя .9, т.е. в течение интервала Con5t, где TU, - длительность второго интервала измерения. В течение времени Т..о в счетчик 10 за пишется число Нл F 1 1 И2; где N,j - число, записанное в счетчик 10 по суммирующему входу; Гл - частота на выходе преобразователя 7 , соответствующая эталонному напряжению U. Число N2 будет больше числа N,;, так как частота Fo F.J вс ледствня сого, что Uf Ug . Таким образом, после окончания второго интервала liSj.sepeHHf в счетчике 10 будет залисаьс ч.псито (N2-N.j) О (6-) Момент сдвига 1 со второго разряда в третий является началом третьего такта измерения Т,.-,. Единичный сигнал с выхода третьего разряда регистра 8 дает разрешение на замЕаткание ключа б и разрешение на прохожценне сигнала по первому входу элемента И 16. Источник 3измеряемого напряжения DX оказывается подключенным ко входу преобразователя 7, а источник отключается, так как во втором p,:i3ряде регистра 8 остается О, Частота свыхода преобразователя 7 через элемент И 16 поступает иа элемент И 18 и суммирующий вход счетчика 12. Этот процесс продолжается до поступления на тактирующий вход регистра 8 третьего импульса, переполнения с выхода делителя 9, т.е. в течение интер вала где длительность третьего интер вала измерения. В течение времени Т. с выхода пре образователя 7 поступит Nj. импульсов где N; - количество импульсов с выхо да преобразователя 7; F - частота на выходе преобразователя 7, соответствуюашя измеряемому напряжению U. Отметим, что N/, так .как Р.- РЗ - Pj , ввиду того, что U(j.iLl(,-f Ugp Импульсы N)c поступают на сумг/1ируго щий вход счетчика 12 и на элемент И 18. Однако триггер 20 находится в нулевом состоянии, тем самгли дается запрет на прохождение импульсов Njr через элемент И 18. Как только на суммирующий вход счетчика 12 поступит число/ Q (о счетчик 12 окажется в О, импульсом обнуления с выхода счетчика 12 уста-навливается в 1 триггер 20. Этим дается разрешение на прохождение импульсов NX через элемент И 18. Отметим, что на выходе триггера 20 сигнал 1 останется до окончания работы устройства-, т.е. импульс обнуле ния с выхода счетчика 12 может устанавливать этот триггер только в 1, и если в процессе работы на вход счетчика 20 поступит еще один или не сколько импульсов обнуления с выхода счетчика 12, то этим состояние триггера 20 не может быть изменено (подтверждение состояния). Импульс Ну, по номером NXJ N + 1 поступит через эл мент И 18 на вход триггера 21, установит триггер 21 в состояние 1, тем аамым дается разрешение на прохождение импульсов с генератора 13 через элемент И 17 на вход счетчика 11. Это, в свою очередь, вызовет появление импульса на выходе двоичного умножителя 19, который установит триггер 21 на О. Этим дается запрет на прохождение импульсов через злемент И 17 на вход счетчика 11. Импульс с выхода преобразователя 7 под номером N + 2 вновь установит триггер 21 в 1, дается сигнал разрешения на элемент И 17, счетчик 11 заполняется импyльca ш с выхода генератора 13, появляется импульс на выходе двоичного умножителя 19 и т.д. Так будет продолжаться до импульса под номером N-jt; , где N ; определяется выражением (7). С учетом (8) количество импульсов с выхода двоичного умножителя 19 равно: Нз N,NXI . - NO где N J - количество импульсов с выхода двоичного умножителя в течение Т Количество импульсов на выходе двоичного умножителя связано с количеством импульсов на выходе соотношения (2). С учетом (4) и (5) можно записать i }. 1 w-i Используя (2), () и (7), получим У ( L ilIlllH± г-1г; -1г,,/Чр2-р,1т,, Отсюда Характеристику преобразователя напрянсение-частота 7 представим в виде вы Г о где FJ, частота на выходе преобразователя; напряжение на входе преобразователя/начальное значение частоты преобраз ователя; k - коэффициент, характеризующий наклон характеристики преобразователя. Так как время измерения незначительно по сравнению с постоянными времени изменения параметров преобразователя, то k const и Fg const для этого измерения. Тогда из (11) следуетF F(7 + F FO +

Подставив эти значения в

10) , ним

U.-Uo

т.е. в счетчике 10 в момент окончания третьего такта измерения записано число, прямо пропорциональное измеряемому напряжению.

Частота генератора 13 должна быть такой, чтобы при заполнении этой частотой счетчика 11 двоичный умножитель 19 успевал бы сформировать один импульс между каждыми двумя импульсами с выхода преобразователя 7, т.е. чтобы на входы триггера 21 импульсы поступали поочередно. В схеме двоичного умножителя 19 старшие разряды счетчика 10 связаны с младшими разрядами счетчика 11 (и наоборот) , т.е. последний разряд счетчика 10 связан с первым разрядом счетчика 11, предпоследний разряд счетчика 10 связан со вторым разрядом счетчика 11 и т.д. Таким образом, если после второго интервала измерения в счетчике 10 записано такое число, что и в последнем разряде этого счетчика 1, то при поступлении каждых двух импульсов на вход счетчика 11 с выхода двоичного умножителя 19 обязательно формируется один импульс (действительно, старший раз:ряд счетчика 10 в 1, а триггер младшего разряда счетчика 11 дважды изменит свое состояние, т.е. пройдет обязательно через состояние 1). Если в счетчике 10 такое число, что 1 в последнем разряде этого,счетчика нет, а есть 1 в предпоследнем разряде, то аналогично описанному на каждые четыре импульса на входе счетчика 11 обязательно сформируется хотя бы один импульс на выходе двоичного умножителя 19 (так как триггер второго разряда счетчика 11 обязательно изменит дважды свое состояние, т.е. пройдет через состояние 1).

Кроме того, при использовании устройства в измерительно-информационных системах с обработкой (например, с осреднением) информации упрощается стыковка устройства с вычислительными блоками, так как время измерения есть величина постоянная для предложенного устройства. Известные устройства при этом требуют применения согласующих блоков, так

nojivкак MOMSfiT получения информации определяется измеряемым напряжением.

Формула изобретения

Аналого-цифровоП преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей, содержащий первый и второй источники эталонного напряжения, источник измеряемого напряжения, которые через первый, второй и третий аналоговые

0 ключи соединены с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, выходы первого и второго элементов И

5 соединены с вычитающим и суммирующим входами первого счетчика, соответственно, выходы первого и третьего элементов И соединены с вычитающим-и суммируквдим входами второго счетчика соот0ветственно, третий счетчик, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и третьего счетчиков, генератор, четвертый и пятый элементы И, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродейст5вия и точности преобразования, введены первый и второй триггеры, делитель и сдвигающий регистр, причем шина начальной установки соединена с установочными входами делителя, сдви0гающего регистра, счетчиков и триггеров, а выходы сдвигающего регистра соединены со вторыми входами аналоговых ключей и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И,

5 а вход - с выходом делителя, входом подключенного к выходу генератора и первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с

0 входом третьего счетчика, выход второго счетчика соединен с единичным входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И,

5 при этом единичный вход первого триггера соединен с выходом пятого элемента И, а нулевой вход - с выходом двоичного умножителя.

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 3633202,кл.340-347, 04.02.72.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2610467/21,кл.Н 03 К 13/20.