RU2420867C2 - Method for digital-to-analogue conversion - Google Patents
Method for digital-to-analogue conversion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420867C2 RU2420867C2 RU2009129169/09A RU2009129169A RU2420867C2 RU 2420867 C2 RU2420867 C2 RU 2420867C2 RU 2009129169/09 A RU2009129169/09 A RU 2009129169/09A RU 2009129169 A RU2009129169 A RU 2009129169A RU 2420867 C2 RU2420867 C2 RU 2420867C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conversion
- signal
- amplitude
- frequency
- digital
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к измерительной технике, автоматике, а также к технике преобразования цифровых величин в аналоговые и может быть использовано при создании высокоточных аналого-цифровых преобразователей и систем контроля параметров изделий электронной техники.The invention relates to measuring technique, automation, and also to the technique of converting digital values into analog and can be used to create high-precision analog-to-digital converters and systems for monitoring the parameters of electronic products.
Уровень техникиState of the art
Известны различные способы цифроаналогового преобразования [1], основанные в первом случае на суммировании весовых токов или напряжений, полученных на базе управляемых кодом резистивных матриц различного типа, а во втором на основе преобразования частоты в напряжение (см. [1], микросхема цифроаналогового преобразователя (ЦАП) КР1108ПП1, стр.257).There are various methods of digital-to-analog conversion [1], based in the first case on the summation of weighted currents or voltages obtained on the basis of code-controlled resistive matrices of various types, and in the second on the basis of frequency-to-voltage conversion (see [1], a digital-to-analog converter microcircuit ( DAC) KR1108PP1, p. 257).
К недостаткам способов первого типа можно отнести технологическую сложность и дороговизну изготовления резистивных матриц, а второго - недостаточную точность и линейность характеристики преобразования. Известно - прецизионные резистивные матрицы можно изготовить только по тонкопленочной технологии, включающей функциональную подгонку сопротивлений резисторов, а не по полупроводниковой, что и определяет указанные недостатки. Фильтрация же сигналов широкого частотного диапазона конкретным НЧ-фильтром приводит к неравномерности отфильтрованных гармоник и, как следствие, к недостаточной точности и линейности статической характеристики преобразования.The disadvantages of the methods of the first type include the technological complexity and high cost of manufacturing resistive matrices, and the second is the lack of accuracy and linearity of the conversion characteristics. It is well known that precision resistive matrices can only be manufactured using thin-film technology, including functional fitting of resistors, and not semiconductor, which determines these disadvantages. Filtering the signals of a wide frequency range with a specific low-pass filter leads to unevenness of the filtered harmonics and, as a result, to insufficient accuracy and linearity of the static conversion characteristic.
Известен способ цифроаналогового преобразования, реализуемый, например, ЦАП с широтно-импульсной модуляцией, построенным по схеме согласно работе [2], в котором производится преобразование кода в интервал времени (скважность) нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых относительно друг друга на равные временные интервалы, их последующее суммирование и фильтрация, полученного после суммирования сигнала.A known method of digital-to-analog conversion, implemented, for example, DAC with pulse-width modulation, constructed according to the scheme according to [2], in which the code is converted into a time interval (duty cycle) of several pulse sequences shifted relative to each other by equal time intervals, their subsequent summation and filtering obtained after summing the signal.
Недостатком данного способа является его высокая сложность, что подтверждают построенные по этому способу ЦАП [2], содержащие в своем составе большое количество электронных компонентов.The disadvantage of this method is its high complexity, which is confirmed by the DACs constructed by this method [2], which contain a large number of electronic components.
Известен способ цифроаналогового преобразования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), приведенный, например, в работах [3, 4] (прототип), включающий преобразование кода в интервал времени нормированной по амплитуде циклической последовательности и последующую фильтрацию этой последовательности НЧ-фильтром.A known method of digital-to-analog conversion with pulse-width modulation (PWM), shown, for example, in [3, 4] (prototype), which includes converting the code into a time interval of the amplitude normalized cyclic sequence and subsequent filtering of this sequence with an low-pass filter.
Данный способ цифроаналогового преобразования с ШИМ уже можно считать классическим. К его недостаткам можно отнести большое время преобразования, а также существенную нелинейность статической характеристики преобразования.This method of digital-to-analog conversion with PWM can already be considered a classic. Its disadvantages include a large conversion time, as well as the significant non-linearity of the static conversion characteristics.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа цифроаналогового преобразования, позволяющего выполнить это преобразование с заданной точностью за более короткое время.The objective of the invention is to create a method of digital-to-analog conversion, allowing to perform this conversion with a given accuracy in a shorter time.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе цифроаналогового преобразования, включающем получение импульсного ШИМ-сигнала, период которого определяется разрядностью преобразуемого кода и частотой задающего генератора, а скважность обратно пропорциональна преобразуемому коду, нормирование амплитуды полученного сигнала и последующей его фильтрации в области нижних частот, дополнительно, перед фильтрацией, выполняют амплитудную модуляцию ШИМ-сигнала нормированным по амплитуде прямоугольным модулируемым сигналом на частоте задающего генератора, причем в одном из полупериодов модулируемого сигнала на информационном интервале преобразования осуществляют запоминание предыдущего значения промежуточного преобразования.The problem is achieved due to the fact that in the method of digital-to-analog conversion, which includes receiving a pulse PWM signal, the period of which is determined by the bit depth of the converted code and the frequency of the master oscillator, and the duty cycle is inversely proportional to the converted code, normalization of the amplitude of the received signal and its subsequent filtering in the low-frequency region additionally, before filtering, the amplitude modulation of the PWM signal is performed by the amplitude-normalized rectangular modulated signal at pilots at the master oscillator, wherein one of the half cycles of the modulated signal in the information storing interval conversion is carried out previous value intermediate conversion.
Перечень фигур чертежейList of drawings
На фиг.1 представлена схема цифроаналогового преобразователя, реализующего предложенный способ.Figure 1 presents a diagram of a digital-to-analog converter that implements the proposed method.
Цифроаналоговый преобразователь содержит задающий тактовый генератор 1, двухпозиционный управляемый переключатель 2, преобразователь кода в интервал времени 3, двухполярный источник 4 опорного напряжения, управляемый ключ 5, сумматор 6, фильтр нижних частот (ФНЧ) 7, элемент И 8, управляемый ключ 9, конденсаторы 10, выходную шину 11.The digital-to-analog converter contains a master clock 1, a two-position controlled
На фиг.2 представлены эпюры 12-16 напряжений на выходах соответствующих элементов схемы.Figure 2 presents a plot of 12-16 voltages at the outputs of the corresponding circuit elements.
Эпюра (временная диаграмма) 12 - сигнал на выходе преобразователя кода в интервал времени 3, при преобразовании двоичного кода N=000…001, равного единице; временная диаграмма 13 - сигнал на выходе двухпозиционного управляемого переключателя 2; эпюры напряжений 14: 141 - на выходе сумматора 6, работающего без нагрузки, в режиме преобразования кода N=000…001; 142 - на выходе сумматора 6, работающего с нагрузкой, в режиме преобразования кода N=000…001; временная диаграмма 15 - сигнал на выходе преобразователя кода в интервал времени 3, при преобразовании двоичного кода N=000…010, равного двум; эпюры напряжений 16: 161 - на выходе сумматора 6, работающего без нагрузки, в режиме преобразования кода N=000…010; 162 - на выходе сумматора 6, работающего с нагрузкой, в режиме преобразования кода N=000…010.Diagram (time diagram) 12 - signal at the output of the code converter in the time interval 3, when converting the binary code N = 000 ... 001, equal to one; timing diagram 13 - signal at the output of the on-off controlled
На фиг.3 представлены эпюры 17 напряжений UN=100…000 и UN=111…111, полученные после ШИМ преобразования соответствующего кода N и поясняющие работу фильтра нижних частот (ФНЧ) при подаче на его вход широтно-импульсного сигнала прямоугольной формы.Figure 3 presents diagrams of 17 voltages U N = 100 ... 000 and U N = 111 ... 111 , obtained after PWM conversion of the corresponding code N and explaining the operation of the low-pass filter (LPF) when a rectangular pulse-width signal is applied to its input.
Отличительные признакиFeatures
Отличительными признаками заявленного способа по сравнению со способом-прототипом являются:Distinctive features of the claimed method in comparison with the prototype method are:
1. Перед фильтрацией выполняют амплитудную модуляцию ШИМ-сигнала нормированными по амплитуде прямоугольными импульсами задающей частоты.1. Before filtering, the PWM signal is amplitude-modulated by rectangular pulses of the reference frequency normalized in amplitude.
2. Перед фильтрацией выполняют запоминание предыдущего значения в одном из полупериодов модулируемого сигнала, на интервале ШИМ-импульса (информационном интервале преобразования).2. Before filtering, the previous value is stored in one of the half-periods of the modulated signal, in the interval of the PWM pulse (conversion information interval).
Сведения, подтверждающие возможность осуществленияInformation confirming the possibility of implementation
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами фиг.1÷3.The essence of the invention is illustrated by the drawings of figures 1 ÷ 3.
Цифроаналоговый преобразователь, представленный на фиг.1, выполняет преобразование кода N в аналоговый сигнал согласно предложенному способу, работает следующим образом.The digital-to-analog Converter, shown in figure 1, performs the conversion of the N code into an analog signal according to the proposed method, works as follows.
Преобразователь кода в интервал времени 3, синхронизированный задающим генератором 1, вырабатывает ШИМ-сигнал (фиг.2, эпюры 12, 15), длительность которого равна Nдес×1/ft, на временном интервале, равном длительности Тц цикла преобразования, где Nдес десятичное число, эквивалентное двоичному коду N. Эпюра 12 соответствует длительности ШИМ-сигнала для кода N=000…001, а эпюра 15 - для кода N=000…010.The code converter in the time interval 3, synchronized by the master oscillator 1, generates a PWM signal (Fig. 2, diagrams 12, 15), the duration of which is N dec × 1 / f t , on a time interval equal to the duration T c of the conversion cycle, where N ten decimal equivalent of the binary code N. Plot 12 corresponds to the duration of the PWM signal for code N = 000 ... 001, and diagram 15 - code for N = 000 ... 010.
Двухпозиционный управляемый переключатель 2 выполняет роль модулятора, вырабатывая переменный импульсный сигнал в диапазоне от (-Uоп) до (+Uоп) с частотой импульсов задающего генератора (эпюра 13), подает этот сигнал на первый вход сумматора 6, на второй вход которого приходит импульсный сигнал с ключа 5, нормированный по амплитуде и по длительности (длительность соответствует длительности ШИМ-сигналов (фиг.2, эпюры 12, 15)). На выходе сумматора 6 формируются сигналы (эпюры 141, 161), полученные в результате ШИМ, а затем амплитудной модуляции. Эти сигналы обрабатываются элементами 9, 10 и 7 схемы фиг.1. Ключ 9 замыкается в каждом такте информационной части ШИМ-сигналов на половину периода: 1/2ft. В результате на входе ФНЧ 7 формируется напряжение, представленное на фиг.2 для соответствующих кодов преобразования эпюрами 142, 162. В результате усреднения этого сигнала ФНЧ 7, полученный на выходной шине 11 сигнал, является результатом цифроаналогового преобразования.The on-off controlled
Согласно способу-прототипу ШИМ-преобразование можно представить эпюрами 17, фиг.3, где эпюра OABCD соответствует коду N=111…111, а эпюра OAD - коду N=100…000, без учета погрешности на линейность интегрирования. В этом случае в диапазоне Тц прямоугольные ШИМ-сигналы имеют различную длительность, а следовательно, различные спектральные составляющие, что делает практически невозможным точный расчет параметров оптимального фильтра ФНЧ.According to the prototype method, the PWM conversion can be represented by diagrams 17, FIG. 3, where the OABCD diagram corresponds to the code N = 111 ... 111, and the OAD diagram corresponds to the code N = 100 ... 000, without taking into account the linearity error. In this case, in the range of T c, rectangular PWM signals have different durations and, consequently, different spectral components, which makes it almost impossible to accurately calculate the parameters of the optimal low-pass filter.
В предложенном способе цифроаналогового преобразования дважды модулированный сигнал (см. эпюры 141, 161) имеет строго определенное дискретное разложение на спектральной плоскости во всем интервале Тц, например, согласно работе [5]:In the proposed method of digital-to-analog conversion, a twice-modulated signal (see diagrams 14 1 , 16 1 ) has a strictly defined discrete decomposition on the spectral plane in the entire interval T c , for example, according to [5]:
В табл.1 ω0=2πft; на нулевой частоте величина с индексом (1) соответствует информационной части сигнала, т.е. на длине ШИМ-импульса эпюр 141, 161, а с индексом (2) - неинформационной части; при этом все гармонические составляющие дискретного частотного спектра, как для информационной части, так и для неинформационной, полностью совпадают, что невозможно обеспечить с использованием способа-прототипа.In table 1, ω 0 = 2πf t ; at zero frequency, the value with index (1) corresponds to the information part of the signal, i.e. on the length of the PWM pulse of the diagrams 14 1 , 16 1 , and with the index (2) - non-information part; all the harmonic components of the discrete frequency spectrum, both for the information part and for the non-information one, completely coincide, which cannot be achieved using the prototype method.
Если, например выполняется преобразование по способу-прототипу кода N=100…000, при условии, что точка В эпюры 17, фиг.3, отстоит по ординате на величину Uоп, то разложение на гармонические составляющие такого ШИМ-сигнала можно представить согласно табл.2.If, for example, a conversion is performed according to the prototype method of the code N = 100 ... 000, provided that the point B of diagram 17, FIG. 3 is ordinate by U op , then the decomposition into harmonic components of such a PWM signal can be represented according to Table .2.
В табл.2 ω1=2πfT, где fT=1/Тц, а Тц - длительность цикла преобразования. Как видно из приведенных выражений и временных диаграмм фиг.2-3, гармоники разложения сигнала, полученного способом-прототипом, более низкочастотные. Следовательно, время установления при фильтрации меньше для предложенного способа. Кроме этого, при преобразовании другого кода, например, кода N=111…111 способом-прототипом, существенно возрастает количество спектральных составляющих, что, в свою очередь, приводит к дополнительной нелинейности преобразования. Предложенный способ позволяет получить во всем диапазоне преобразования сигнал, разложение которого на спектральные составляющие представлено в табл.1. Дискретный спектр гармонических составляющих не меняется в зависимости от преобразуемого кода, что и определяет лучшую линейность окончательного преобразования.In table 2, ω 1 = 2πf T , where f T = 1 / T c , and T c - the duration of the conversion cycle. As can be seen from the above expressions and time diagrams of figure 2-3, the harmonics of the decomposition of the signal obtained by the prototype method, lower frequency. Therefore, the settling time for filtering is less for the proposed method. In addition, when converting another code, for example, the code N = 111 ... 111 by the prototype method, the number of spectral components increases significantly, which, in turn, leads to additional non-linearity of the conversion. The proposed method allows to obtain a signal in the entire conversion range, the decomposition of which into spectral components is presented in table 1. The discrete spectrum of harmonic components does not change depending on the code being transformed, which determines the best linearity of the final transformation.
Предлагаемый способ цифроаналогового преобразования можно пояснить работой устройства, реализующего данный способ. В устройстве, фиг.1, реализующем предлагаемый способ, элементы: ключ 9 и конденсатор 10, осуществляющие запоминание информации в предыдущем такте на интервале ШИМ-импульса, могут не быть устройством выборки и хранения (УВХ) со строго нормированными параметрами по дрейфу (скорости спада). Наличие такой погрешности не мешает работе предложенного ЦАП. В общем случае, ключ 9 и конденсатор 10 представляют собой дополнительный фильтр НЧ, у которого постоянная времени зависит от состояния ключа 9. Если этот ключ 9 замкнут, то постоянная времени τз этого дополнительного фильтра должна быть значительно меньше, чем постоянная времени τраз при разомкнутом ключе. При этом квант h преобразования ЦАП определяется разностью напряжений на конденсаторе 10 в такте преобразования, равном по длительности 1/ft. Доводку же кванта преобразования, или полной шкалы ЦАП до установленного значения можно выполнить, например, регулировкой коэффициента передачи активного фильтра 7 по постоянной составляющей.The proposed method of digital-to-analog conversion can be explained by the operation of a device that implements this method. In the device of FIG. 1, which implements the proposed method, the elements: key 9 and capacitor 10, which store information in the previous cycle at the interval of the PWM pulse, may not be a sampling and storage device (UX) with strictly normalized drift parameters (decay rate ) The presence of such an error does not interfere with the operation of the proposed DAC. In general, the key 9 and the capacitor 10 constitute an additional low pass filter whose time constant is dependent on the state of the key 9. If the key 9 is closed, the time constant τ of this additional filter should be much smaller than the time constant τ at the time open key. In this case, the quantum h of the DAC conversion is determined by the voltage difference across the capacitor 10 in the conversion cycle, equal in duration to 1 / f t . The refinement of the conversion quantum, or the full-scale DAC to the set value, can be performed, for example, by adjusting the transfer coefficient of the active filter 7 with a constant component.
Таким образом, одинаковые условия фильтрации во всем диапазоне преобразования, обеспечиваемые предложенным способом, позволяют найти оптимальные параметры ФНЧ и обеспечить более высокое быстродействие при заданной линейности преобразования.Thus, the same filtering conditions in the entire conversion range provided by the proposed method allow us to find the optimal low-pass filter parameters and provide higher performance for a given conversion linearity.
Источники информацииInformation sources
1. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.1. Fedorkov B.G., Taurus V.A. DAC and ADC chips: operation, parameters, application. - M .: Energoatomizdat, 1990 .-- 320 p.
2. А.с. №1735999 СССР, Н03М 1/66. Цифроаналоговый преобразователь / Г.С.Власов, С.Е.Лях и В.Г.Сараев. // Опубл. 1992, бюл. №19.2. A.S. No. 1735999 of the USSR, Н03М 1/66. Digital-to-analog converter / G.S. Vlasov, S.E. Lyakh and V.G. Saraev. // Publ. 1992, bull. No. 19.
3. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с., с.13.3. Microchips ADC and DAC. - M.: Dodeka-XXI Publishing House, 2005. - 432 p., P.13.
4. Метрологические средства для поверки цифровых приборов / Приборы, средства автоматизации и системы управления: ТС-5, Выпуск 3. - М.: ИНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 62 с., с.16.4. Metrological tools for checking digital devices / Devices, automation equipment and control systems: TS-5, Issue 3. - M .: INIITEI instrument making, 1982. - 62 p., P.16.
5. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Технiка, 1983. - 213 с., с.90-91.5. Scherbakov V.I., Grezdov G.I. Electronic circuits on operational amplifiers: Reference. - K .: Technika, 1983.- 213 p., P. 90-91.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009129169/09A RU2420867C2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Method for digital-to-analogue conversion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009129169/09A RU2420867C2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Method for digital-to-analogue conversion |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009129169A RU2009129169A (en) | 2011-02-10 |
RU2420867C2 true RU2420867C2 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44736870
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009129169/09A RU2420867C2 (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Method for digital-to-analogue conversion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2420867C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497276C1 (en) * | 2012-05-24 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" | Method of digital-to-analogue conversion |
RU2544738C2 (en) * | 2012-12-10 | 2015-03-20 | Александр Анатольевич Судаков | Method of increasing speed of digital to analogue conversion |
RU2726911C1 (en) * | 2019-07-02 | 2020-07-16 | Юрий Александрович Никитин | Method of vernier digital-analogue conversion |
-
2009
- 2009-07-28 RU RU2009129169/09A patent/RU2420867C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2497276C1 (en) * | 2012-05-24 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" | Method of digital-to-analogue conversion |
RU2544738C2 (en) * | 2012-12-10 | 2015-03-20 | Александр Анатольевич Судаков | Method of increasing speed of digital to analogue conversion |
RU2726911C1 (en) * | 2019-07-02 | 2020-07-16 | Юрий Александрович Никитин | Method of vernier digital-analogue conversion |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009129169A (en) | 2011-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7944378B1 (en) | Circuits and methods for calibrating analog and digital circuits | |
US7482865B2 (en) | Systems and methods for correcting errors resulting from component mismatch in a feedback path | |
Crovetti | All-digital high resolution D/A conversion by dyadic digital pulse modulation | |
US20080186214A1 (en) | Correcting for errors that cause generated digital codes to deviate from expected values in an adc | |
US5103230A (en) | Precision digitized current integration and measurement circuit | |
RU2420867C2 (en) | Method for digital-to-analogue conversion | |
US20040034499A1 (en) | High-speed high-resolution ADC for precision measurements | |
US9065480B1 (en) | Digital-to-analog converter apparatus having a reconfigurable resistor-capacitor circuit | |
US11652491B2 (en) | High-pass shaped dither in continuous-time residue generation systems for analog-to-digital converters | |
CN114325419A (en) | DC signal measurement and battery formation/testing | |
US8692700B2 (en) | Sigma-delta digital-to-analog converter | |
Anderson et al. | Design and Measurement of a CT $\Delta\Sigma $ ADC With Switched-Capacitor Switched-Resistor Feedback | |
EP1668779B1 (en) | Fractal sequencing schemes for offset cancellation in sampled data acquisition systems | |
US9071260B2 (en) | Method and related device for generating a digital output signal corresponding to an analog input signal | |
US9046907B2 (en) | Full-bridge converter with digital pulse modulation (DPWM) for driving a load | |
US20020026469A1 (en) | Circuit for precise measurement of the average value of the outputs of multiple circuit unit elements | |
EP2319182A2 (en) | A method to linearize the output from an adc | |
WO2010118990A1 (en) | Analogue conversion of pulse width modulated signals | |
Babaie-Fishani et al. | Analytical expressions for the distortion of asynchronous sigma–delta modulators | |
RU2433528C2 (en) | Digital-to-analogue converter | |
EP2700172B1 (en) | Arrangement for reading out an analogue voltage signal | |
US10756717B2 (en) | System and method for calibration of pulse width modulation signals with higher resolution increments | |
RU2292642C1 (en) | Method for integrating analog-to-digital voltage conversion | |
RU2303327C1 (en) | Integrated analog-to-digital converter operating process | |
US8395418B2 (en) | Voltage sensing circuit with reduced susceptibility to gain drift |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110729 |