SU1501268A2 - Устройство аналого-цифрового преобразовани - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике , в частности, к устройствам преобразовани  аналоговой информации в цифровую, и может быть использовано дл  построени  быстродействующих аналого-цифровых преобразователей повышенной точности. Введение в устройство формировател  корректирующего сигнала и коммутирующего устроиства. Позвол ет повысить точность преобразовани  путем интерпол ции внутри кванта. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. , 2 табл.

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, в частности к устройствам преобразовани  аналоговой Информации в цифровую, может быть использовано дл  работы в цифровых измерительных системах, системах радиолокации, цифровых осциллографах и  вл етс  усовершенствованием устройства по авт. св. № 1398093.

Цель изобретени  - повышение точности устройства.

I

На фиг. 1 приведена функциональна  схема устройства аналого-цифрового преобразовани ; на фиг. 2 - функциональна  схема блока формировани  образцовых сигналов и блока управлени  (а); временные диаграммы их работы (б); на фиг. 3 - функциональна  схема формировател  корректирующего сигнала.

Устройство (фиг. 1) содержит аналого-цифровой преобразователь 1 п старших разр дов (АЦП ст.р.), регистр 2 пам ти (Per. ПАМЯТИ), арифметико-логическое устройство 3 (АЛУ), выходной N-разр дный регистр 4, элемент 5 задержки, усилитель 6 разности (УР), аналого-цифровой преобразователь 7 младших разр дов (АЦП мл.р.), цифро-анало1 овый преобразователь 8 (ЦАП), посто нное запоминающее устройство 9 (ПЗУ), блок 10 управлени , цифровой сумматор 11 (ЦС), оперативное запоминающее устройство 12 (ОЗУ), переключатель 13, элемент ИЛИ 14, блок 15 формировани  образцовых сигналов , формирователь 16 корректирующего сигнала, коммутирующее устройство 17 (КУ), выполненное на ключе 18 и резисторе 19. Усилитель 6 содержит операционный усилитель 20 и резистор 21 обратной св зи.

СП

bo

05

00

N

3150

Блок 15 формировани  образцовых сигналов и блок 10 управлени  (фиг, 2) содержат узел 22 задани  режимов, источник 23 опорного напр жени  и блок 24. Узел 22 задани  режимов содержит первый 25, второй 26 и третий 27 переключатели. Блок 24 выполнен на элементе И 28, счетчике 29 импульсов (СТ), первом триггере 30, элементах ИЛИ 31, 32, генераторе 33 импульсов (ГИ), втором триггере 34.

Блок 10 управлени  выполнен на трех элементах 35 задержки и четырех формировател х 36 импульсов (ФИ).

Формирователь (ФКС) корректирующего сигнала (фиг. 3) содержит посто нное запоминающее устройство 37 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 38 (ОЗУ), малоразр дные цифроаналоговые преобразователи 39 и 40 (МЦАП); цифровой сумматор 41 включает в себ  сумматоры 42 и 43.

Рассмотрим работу устройства на конкретном примере. Пусть число разр дов N всего устройства, включа  знаковьп разр д, равно 11, число разр дов п АЦП ст.р. 1 равно 4; ЛДП мл.р. 7: N-n+m 8 (где m 1 - число разр дов коррекции), диапазон входного сигнала U j( -1,024 - - +1,014 В.

В качестве узла 8 используетс  быстродействующий интегральный ЦАП (например, типа 1118ПА1) низкой точности . Инструментальна  погрещность таког о ЦАП значительна и превышает в несколько раз требовани , предъ вл емые к узлу 8 в составе устройства АЦ-преобразовани .

Допустим, чтр значени  разр дных уровней ЦАП 8 с учетом их инструментальных погрешностей равны: U, 128 - 1,25 126,75 мВ; 256 + + 2 258 мВ; 512 - 2,25 509,75 мВ; ик4 -1024 + 4 -1020 мВ. Значени  всех остальных уровней определ ютс  линейной комбинацией разр дных уровней (дл  упрощени  примем также смеп;ение нул  усилител  6 разности равным нулю).

На этапе изготовлени  и настройки устройства, при нормальных услови х определ ютс  погрешности ЦАП 8 присущие каждому уровню, и записываютс  в цифровой форме с учетом знака: целые знгтени  (единицы Мв) в  чейки ПЗУ У, дробные (доли мВ) - в  чейки ФКС 16. При зтом вес млад2684

шего разр да ПЗУ 9 соответствует ,1 мВ, значительно меньше ступени квантовани  всего АЦП и, допустим, равен 0,25 мВ.

5 Адресом каждой  чейки ПЗУ -9 и ФКС 16  вл етс  соответствующий код АЦП ст.р. 1 (см. табл. 1, составленную только дл  положительного входного

jQ сигнала Uy; дл  отрицательного диапазона входного сигнала алгоритм коррекции аналогичен положительному диапазону).

В процессе эксплуатации устройст .с во может быть работоспособным в двух режимах - в режиме Измерение и в режиме Контроль.

В режиме Измерение переключатель 13 устанавливают в положение И, при

20 этом на вход АЦП ст.р. 1 подаетс  сигнал и 640,1 мВ. После стробирова- ни  АЦП ст.р. 1 формируетс  код +101, который с помощью ЦАП 8 преобразуетс  в компенсирующее напр жение U .

25 (128-1,25)+(512-2,25) 636,5 мВ. По коду старших разр дов -t-101 производитс  выборка кодов основной погрешности: кода из  чейки ПЗУ 9: -011(-3 мВ) и кода дробной части из

30   1ейки ФКС 16 10 (0,5 мВ) (см.табл.1), Код дробной части погрешности с помощью ФК) 16 преобразуетс  в корректирующее напр жение и орзнак которог о противоположен знаку погрешности. Напр жение суммируетс  (с учетом

35

45

знака) с компенсирующим напр жением и и сравниваетс  с входньм напр жением и с помощью усилител  6 разности . Разностный сигнал ((U - (Uj +

40 установившийс  на входе УР о, преобразуетс  АЦП мл.р. 7 после его стробировани  в код, которьш складываетс  в цифровом сумматоре 11 с кодом целой части основной погрешности, записанной в ПЗУ 9. В рамках рассматриваемого примера и х- (И квр к 640,1 - (636,5 + 0,5) 3,1 мВ. На выходе АЦП мл.р. 7 имеем код: +0000011 (3 мВ), код на выходе цифрового сумматора 11 определ етс  как

50 -t-0000011 - 011 +0000000-. Выходной код него устройства равен+1010000000, что эквивалентно сигналу U 640 мВ. Погрешность преобразовани  устройства составит 640,1 - 640 0,1 мВ.

При желании ее можно уменьшить,

уменьшив ступени квантовани  дробной части или (что равносильно) повысив разр дность обоих МЦАП в ФКС 16).

51

При работе устройства в услови х отличных от нормальных, по вл етс  дополнительна  инструментальна  погрешность . Коррекци  погрешности с помощью предварительной ее записи в ПЗУ 9 и ПЗУ 37 в ФКС 16 тер ет свою эффективность, так как не приводит к ее компенсации.

Так, в рамках условий рассмотрен- него вьнпе npPiMepa можно допустить, 1ЧТО разр дные уровни ЦАП 8 при наличии дополнительной погрешности из| (

менились и стали равны: U

к, 126,73и; , 509,75 -2 ,5 124,25 мВ; U 258 + + 3,25 261,25 мВ;

-3,9 505,85 мВ.

В этом случае коды целой части дополнительной погрешности хран тс  в ОЗУ 12, а коды дробной части записываютс  в ОЗУ 38 ФКС 16. Запись кодов дополнительной погрешности осуществл етс  в соответствии с табл. 2, составленной дл  положителного Входного сигнала U;.

При преобразовании входного сигнала , например при U 640,1 мВ

получим коды - АЦП ст.р. ПЗУ

1: +101,

9: -011 (-3 мВ); ОЗУ 12: -110 (-6 мВ); коды дробных частей-основной -10 (-0,5 мВ) и дополнительной -10 (-0,5 мВ) погрешностей, записанных в ФКС 16; соответственно в ПЗУ 37 и ОЗУ 38 (фиг. 3). На выходе АЦП мл.р. 7 получим код +0001001 (+9 мВ), что соответствует разностному сигналу и ,( - (и { + ) 640,1 - (124,25 + 505,85 + 0,5 -i- + 0,5) 9 мВ. После сложе ни  кодов АЦП мл.р. 7 с кодами ПЗУ 9 и ОЗУ 12 в цифровом сумматоре 11 получим код младших разр дов устройства: +0001001-011-110 +0000000. При этом код всего устройства N +1010000000, что соответствует Uy 640 мВ. Погрешность преобразовани  в рассматриваемом примере составл ет 0,1 мВ.

.Определение и запись кодов дополнительной norpeujHocTH проводитс  в режиме Контроль. В этом режиме устройство переводитс  установкой переключател  13 в положение К. На вход АЦП ст..р. 1 с выхода блока 15 формировани  образцовых сигналов поступает ступенчатое напр жение, уровни которог о соответствуют значени м идеальных уровней ЦАП 8.

0

5

0

5

0

5

0

5

Определение и запись кодов дополнительной погрешности осуществл ют в два этапа. На первом этапе - этапе грубой оценки погрешности - при подаче очередного уровн  образцового напр жени  на вход АЦП ст.р. 1 после запуска устройства на выходе цифрового сумматора 11 формируетс  код, численно равный значению целой части дополнительной погрешности. По сигналу с блока 15 этот код записываетс  в  чейку ОЗУ 12, адрес которой соответствует коду АЦП ст.р. 1 в данном такте коррекции. На втором этапе - этапе уточненной оценки погрешности - по сигналу с шестого выхода блока 15 размыкаетс  ключ 18 коммутирующего устройства 17, что приводит к увеличению коэффициента усилени  усилител  6 разности. В результате этого на выходе АЦП мл.р. 7 формируетс  код, численно равный уточненному значению дополнительной погрешности. Этот код поступает на вход ФКС 16, который вьщел ет код дробной части дополнительной погрешности и осуществл ет запись его по команде с блока 15 в  чейки своего ОЗУ 2.

При поступлении сигнала Конец преобразовани  с четвертого выхода блока 10 управлени  разрешаетс  установка следующего уровн  образцового напр жени . После формировани  последнего уровн  образцового напр жени  происходит остановка блока 15, что свидетельствует об окончании процесса контрол .

Блок 15 формировани  образцовых сигналов и блок 10 управлени  БУ 10 (фиг. 2) работают следующим образом.

В исходном состо нии переключатели 25-27 узла 22 задани  режимов устанавливают в положение, показанное на фиг. 2. Перед началом режима Контроль перекхпочатель 25 перевод т в противоположное положение, при этом прекращаетс  процесс обнулени  ОЗУ 12 (фиг. 1) и ОЗУ 38 формировател  16 (фиг. 3) и через элемент И 28 триггер 30 устанавливаетс  в единичное состо ние. Это дублирует сигнал запрета на первом управл ющем входе генератора 33 импульсов. Далее одновременно с переключателем 13 устройства (фиг. 1) переключаетс  переключатель 25, что приводит к обнулению двоичного счетчика 29 и подаче сигнала

715

разрешени  (логического О) на вторые входы элементов ШШ 31 и 32 и второй управл ющий вход генератора 33. По нулевому коду счетчика 2У источник 23 опорного напр жени  формирует на пр жение, соответствующее идеальному значению напр жени  дл  точки шкалы АЦП (Ug, -1024 мВ). После такой подготовки блок 15 готов к работе.

При необходимости коррекции дополнительной инструментмльной погрешнос- И нажимают кнопки (переключатель) 27, и триггер 30 запускает генератор 33 импульсов, обеспечиваю1ций периодический ззпуск АЦП (см. диаграмму импульсов Запуск на фиг. 2б). Триггер 34, В1,мючеины11 по схеме делител  члс 1 оты, проводит распределение тактов работы устройства АЦ-преобразова- ни  на так1ы 1рубой и уточненной оценки гто1 решности: при наличии на выходе Q григтера 34 лог ического О (см. диаграмму импульсов Выход Q Тг 34) осуществл етс  груба  оценка погрешности, логической 1 - уточне)и1а  оценка. Сигн;1лом Конец преобразовани  с четвертого выхода блока 10 управлени  через элемент HJiH 32 проводитс  запись кодов целой г О1 решнос ги в ОЗУ 12 (такт I pyCo оценки), .5 через элемент РШН 31 - запись кодов дробной части (такт уточненной оценки) в ФКС 16 (см. ди;.и рамму импульс)в Запись в ОЗУ 12

и Запись в ФКС 16 на фиг. 2б). Импульсом Запись в ФКС 16 с выхода элемента ИЛИ 31 измен етс  состо ние c4eT4tfiva 29 импульсов на единицу и устанавливаетс  следуюшее значение образцового уровн  напр жени  и т.д.

Сигнал переполнени  счетчика 29 через элемент И 28 переводи ipniTep 30 в исходное состо ние, ос1ананли- ва  Тем самым генератор 33 импульсои Это свидетельс 1 вуст об сткоичании процесса коррекции погрешности. При переводе переключателей 13 (фиг. 1) и 25 (фиг. 2) в положение И устройство АЦ-преобразовани  готово к работе в услови х.

Формирователь 16 корректирующего сигнала ФКС (фиг. 3) работает спедую щим образом.

При коррекции основной norpciiniocT напр жение корректирующег о сигнала и снимаетс  с выхода мало 5азр дно- I o ИЦАП 3 (в за вленном устройстве МЦАП 3 и МЦАП 4 реа-чизованы на преоб

8 8

разовател х код - ток), преобразующего коды дробной части основной погрешности , записанной в ПЗУ 1 на этапе изготовлени  и настройки устройства АЦ-преобразовани . При коррекции дополнительной г.огрешности напр жение определ етс  суммой выхол,нь1х напр ж(;-ний токов МЦАП 3 и Ми/Л 4, при этом МЦАП 4 преобразует кеды дробнь х частей дополнительной погрешности, записанной в ОЗУ 2. Коды дробных частей дополнительной погрешности выдел ютс  цифровым сумматорюм 41, вычитающим из кодов уточненной оценки погрешности, с;нимае- мых с выхода АЦП мл.р. 7 устройства (фиг. 1), код грубо оценки, чис- ленно равный целой части noi реипюс

ти. Коды целой части основной погрешности записа1Н5| в ПЗУ 9, допол- ните льной погрешности - в ОЗУ 12.

Рассмотрим запись кодов дополнительной погрешности на примере.

Пусть в режиме Контроль на вход АЦП ст.р. 1 подаетс  образцовое нап- р же1П1е Llo; 640 мВ. Б услови х вли ни  дополнительной погрешности на выход,е УР 6- разность IJ х (IJ k,

,+ и;, + UK,P,. - 640 - (124,25-ь + 503,85.+ 0,5) 5,4 мВ (см. табл. 1 и 2). На выходе цифрового сумматора 11 на этапе грубой оценки формируетс  код, равнь й (табл. 1) сумме кодов ПЗУ 9 и АЦП мл.р. 7 (в начальный момент KOHTpojn коды ОЗУ 12 И ОЗУ 38 формировател  16 равны нулю): +0001001 + (-011) +0000110. Полу- ченн1,|й код эквивалентен целой части допо.пнительной погрешности, вз той с противоположным знаком, т.е. --6 мВ (таб Т. 2). Инверсию знака погрешности м .)жно произвести при выполнении операции сложени  в ЦС 11 или при загшси  епосредственно крд; Югреш

ности в ОЗУ 12.

Н,ч этапе уточненной оценки погрешности увеличиваетс  коэффипиент усилени  К усилител  6 разности, например, в четыре раза. Это эквивалентно уменьшению значени  ступени квантовани  АЦП мл.р. 7 и дл  рассматриваемого примера составл ет q 0,25 мВ. Тогда при преобразовании напр жени  КУуСи - (U + 11,1 4-9,4 37,6 мВ на выходе АЦП мл.р. 7 получаем код +01001,10, численное значение которого, приведенное к входу усилител  6 разности,

составит 9,5 мВ, причем два младших разр да АЦП мл.р. 7 на этом этапе несут информацию о дробной части погрешности . ФКС 16 вычитает из кода АЦП мл.р. 7 коды целой части основной (записанной в ПЗУ 9) и дополнительной (записанной, в ОЗУ 12) погрешностей: +01001,10 - (011,00 + 110,00)

+0000,10 (мВ). Коды двух младших разр дов записываютс  в ОЗУ 38 ФКС 16 по адресу +101 (табл. 2).

Из описани  работы устройства следует, что учет и компенсаци  дробных частей погрешности позвол ют свести к минимуму погрешность, вызванную самим методом цифровой коррекции , и повысить точность устройства Ц-преобразовани . Действительно,

обственно методическа  погрешность устройства АЦ-преобразовани  состав ет ±q/2 (где q -вес младшего разр да , ступень квантовани  устройства ). Погрешность, обусловленна  методом цифровой коррекции устройствапрототипа , определ етс  весом младшего разр да ПЗУ 9 и ОЗУ 12 и состав ет еще tq/2. Суммарна  методическа  погрешность АЦП составит, таким образом, iq. В предлагаемом устройстве погрешность, вызванна  собственно методом цифровой коррекции, определ етс  весом младшего разр да ПЗУ 37 и ОЗУ 38 «формировател  16 корректирующего сигнала и составл ет tq/Ky, причем погрешность узлов цифровой корекции в устройстве можно свести к минимуму путем увеличени  коэффициента усилени  К у усилител  6 разности и повьш1ени  разр дности ПЗУ 37 и ОЗУ 38 ФКС 16. Таким обра- звм, суммарную по 1 решность устройства можно свести до значени  tq/2.

Так, в рамках условий рассмотренных выше примеров при преобразовании и X - 640 ,1 мВ устройством-прототипом при нормальных услови х имеем: код АЦП ст.р. 1: +101, разностный сигнал на выходе усилител  6 разности U - и 640,1 - (126,75 + 509,75) 640,1 - 636,5 О 3,6 мВ. При преобразовании разностного сиг нала 3,6 мВ на выходе АЦП мл.р. 7 после его стробировани  устанавливаетс  код +0000100, что эквивалентно входному напр жению 4 мВ (в устройствах АД- преобразовапи  границей перехода от одного кванта к другому прин то считать напр жение U + Ч/2, г-де

U,10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

напр жение, соответствующее коду N), Выборка кода основной погрешности из ПЗУ 9 проходит по коду +101 и соответствует (табл. 1) коду -011 (-3 мВ). Код на выходе цифрового сумматора 11 определ етс  как +0000100-011 0000001. Выходной код всего устройства равен +1010000001, что эквивалентно сигналу 641 мВ. Погрешность преобразовани  устройства-про- тотипа составл ет 640,1 - 641

-0,9 мВ (в отличие от О,1 мВ в предлагаемом устройстве).

В услови х вли ни  дополнительной погрешности при преобразовании и 640,1 мВ устройством-прототипом получают соответственно коды: АЦП ст.р. 1: +101; ПЗУ 9: -011 (3 мВ); ОЗУ 12: -110 (6 мБ); разностный сигнал на выходе усилител  6 разности UK 640,1 - (124,25 + 505,85) 10 мВ. На выходе АЦП мл.р. 7 получают код +0001010 (10 мВ). Код на выходе цифрового сумматора 11 определ етс  как +0001010 - 011 - 110 +0001010 - 1001 +0000001, при этом код всего устройства равен + 1010000001, что соответствует U 641 мВ. Погрешность преобразовани  устройства-прототипа составит 640,1 -641 -0,9 мВ (в отличие от 0,1 мВ в предлагаемом устройстве).

Таким образом, учет и компенсаци  дробных частей погрешности в предлагаемом устройстве позвол ют повысить точность АЦ-преобразовани  по сравнению с устройством-прототипом в несколько раз.

Claims (4)

1. Устройство аналого-цифрового преобразовани  по авт. св. № 1398093, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности устройства , в него введены коммутирующее устройство и формирователь корректирующего сигнала, адресный вход которого соединен с выходом аналого- цифрового преобразов  тсл  п старших разр дов, первый, второй и третий информационные зходы подключены соответственно к выходам посто нного и оперативног о запоминающих устройств и выходам аналого-цифрового преобразо)з тел  младших разр дов, а входы обнулегни  и записи подключены соответственно к второму и п точ150

му выходам блока формировани  образцовых сигналов, выход формировател  корректирующего сигнала подключен к второму входу усилител  разности и входу коммутирующего устройства, выход которого подключен к выходу усилител  разности, а управл ющий вход соединен с шестым выходом блока формировани  образцовых сигналов, при этом п тый выход блока управлени  Соединен с п тым входом блока формировани  образцовых сигналов.

2.Устройство по п. 1, о т л и- чающеес  тем, что формирователь корректирующего сигнала выполнен на посто нном и оперативном запоминающих устройствах, двух цифроана- логовых преобразовател х и цифровом сумматоре, причем адресным входом блока  вл ютс  соответствующие адресные входы посто нного и оперативного запоминающих устройств, первым, вторым и третьим информационными входами  вл ютс  соответствующие первый, второй и третий входы цифрового сумматора , входами обнулени  и записи  вл ютс  входы обнулени  и записи оперативного запоминающего устройства , выходом блока  вл ютс  объединенные выходы цифроаналоговых преобразователей , входы которых подключены

к выходам соответственно посто нного и оперативного запоминающих устройств выход цифрового сумматора подключен к информационному входу оперативного запоминающего устройства.

3.Устройство по п. 1, о т л и - чающеес  тем, что коммутирующее устройство выполнено на последовательно соединенных ключе и резисторе , причем входом блока  вл етс  информационный вход КЛЮЧ9, управл ющий вход которого  вл етс  управл ющим входом блока, выходом которог о  вл етс  свободный вывод резистора.

4.Устройство по п. 1, о т л и- чающеес  тем, что блок формировани  образцовых сигналов выполнен на источнике опорного напр жени , пе вом, втором и третьем переключател х

двух элементах ИЛИ, счетчике импульсов , элементе И, днух триггерах и генераторе импульсов, причем первым, вторым и третьим входами блока  вл ютс  соответственно управл ющие входы первог о, второго и третьего переключателей , а первым выходом - выход источника опорного напр жени , входы

д которого соединены с соответствующим информационными выходами счетчика импульсов, вход обнулени  которого объединен с первым управл ющим входом генератора импульсов, первым вхо- 5 дом первого элемента ИЛИ и подключен к выходу первого переключател , первый и второй входы которого объедине- ны соответственно с первыми и вторыми входами второго и третьего переQ ключателей и  вл ютс  соответственно шинами логического нул  и единицы, выход второго переключател  соединен с первым входом элемента И и  вл етс  вторым выходом блока, третьим выC ХОДОМ которого  вл етс  выход первого элемента ИЛИ, второй вход которого  вл етс  четвертым входом блока, выход переполнени  счетчика импульсов соединен с вторым входом элемента И, выход которого подключен к входу установки в 1 первого триггера, пр мой выход Ko-foporo соединен с вторым управл ющим входом генератора импульсов , а вход установки О подключен к выходу третьего переключател , вы5 ход генератора импульсов  вл етс  четвер тым выходом блока, а первый вход второго элемента ИЛИ  вл етс  четвертым входом блока, второй вход объединен с первым входом первого элемента ИЛИ, а третий вход объединен с информационным входом второго триггера и подключен к его инверсному выходу, выход второго элемента ИЛИ соединен со счетным входом счетчика

импульсов и  вл етс  п ть 1м выходбм блока, п тым входом которого  вл етс  счетный вход второго триггера, пр мой выход которого подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ

0

0

0

и  вл етс  шестым выходом .блока.

Таблица 1

|t

.

Внешний зап1/ск

Запуск

KoHeu,npeodp.

Вход.

U

фиг.З