Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления , первые выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя , арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя , отличающийSUai , 1123104 3

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

CNNIIHI

РЕСПУБЛИК зав

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

П0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И. ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ, н aRTOPCNOMV СВИДЕТО ЬСтВУ (21),3610780/18-21 (22) 29.06.83 (46) 07.11.84. Бюл. У 41. (72) В.И.Диденко, В.П.Федотов и И.Д.Вельт .(71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетичес кий институт (53) 681.325(088.8) (56) 1. Бахтияров T .Ä. Аналого-цифровые преобразователи. М., "Советское радио", 1980, с. 204, рис.7.28.

2. Патент США В 3668690, кл. Н 03 К 13/17, 1972 (прототип). (54)(57) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЭОВАТЕЛЬ, содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя, о т л и ч а ю щ и йSU.„1123104 A с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены

k-1 управляемых переключателей полярности напряжения, И источников напряжения, определитель вида операции и

К сумматоров, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответст-. вующего источника напряжения, а второй вход каждого < -го сумматора соединен с выходом каждого 1 -го управля емого переключателя полярности напряжения, а выход, кроме первого сумматора, соединен с входом каждого

Ф" -1 управляемого переключателя полярности напряжения, вход последнего из которых соединен с выходом источника входного сигнала, причем вторые выходы блока управления соединены с управляющими входами N -1 управляемых переключателей полярности напряжения и Й-f входами определителя вида операции, М -й вход которого соединен с управляющим входом первого управляемого переключателя полярности напряжения, а выход — с вторым входом арифметического устройства, при этом выход первого сумматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.

1 11231

Изобретение относится к электро» измерительной технике и может быть использовано в устройствах преобразования измерительной информации с повышенными требованиями к точности.

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий компаратор, первый вход которого соединен со входной шиной, а второй вход — через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь; вычис» литель, .основной аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом компаратора (1) .

Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала,первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналогоцифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого соединены со ответственно с управляющими входамипервого управляемого переключателя полярности напряжения, основного ана. лого"цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя f2) .

Недостатком известного преобразователя является сравнительно большая З5 погрешность дискретности, которая ог раничива тся разрядностью основного

АЦЯ. В преобразователе недостижимы одновременно требования высокого подавления синфазных напряжений и шу- 4О мов и требования малости напряжения смещения и входных токов. Снижение . действия входного синфазного напряжения в схеме возможно, если период частоты этого напряжения намного превышает время преобразования АЦП.

В этом случае входное синфазное напряжение вносит погрешность, знак которой не зависит от полярности входного напряжения. Так как абсолютные значения этих погрешностей на первом и втором тактах весьма близки, они практически полностью взаимно уничтожаются. При повышении входного синфазного напряжения появляется необходимость уменьшать время преобразования АЦП. Сокращение этого времени способствует

Оч 2 также снижению действия шумов входных цепей основного АЦП (например, его входного. усилителя) на результат преобразования. Это связано с переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, сво бодную от действия низкочастотных шумов. Однако сокращение времени преобразования АЦП вынуждает исполь зовать быстродействующие ключи, например ключи на полевых транзисто рах, для которых характерны большие значения входных токов. Так, например, для ключей коммутатора К59О

КН-2 ток Утечки 3» открытого канала достигает значейия 100 нА. K этому значению следуе прибавить ток, I перезаряда межэлектродных емкостей 3 „

j,**сч„4, где С - значение емкости, Y - значение управляющего напряжения, - частота переключения.

При f =10 к ц, C==10 @, V -10S, 3 =1 мкА. Эти токи, протекая через собственное сопротивление ключаг кл .вносят погрешность 9к< равную

5 р kh "кл t c у) и достигающую при г„„ 200 Ом значе» ния 220 мкВ. Так как „„, 3 H 3 у с на первом и втором тактах вносятся разными элементами, взаимной компенсации погрешностей Чк не происходит. Результирующая погрешность Мскк см км "кк.а 3 где V. „, и Чкд - значения aorpemностей Ч,ц, . соответствующих 1-му и

2-му тактам, эквивалентна погрешности смещения АЦП и может достигать значения / ц, .

Столь высокое значение погрешности исключает возможность применения указанного преобразователя для преобразования сигналов низкого уровня при высоких требованиях к ослаблению действия входных синфазных напряжений и шумов.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что и аналого-цифровой преобразователь, содержащий источник входного сигнала, первый управляемый переключатель полярности напряжения, основной аналого-цифровой преобразователь, арифметическое устройство и блок управления, первые выходы которого сосоединен с управляющим входом первого управляемого переключателя полярности напряжения, а выход — с вторым . входои арифметического устройства, при этом выход первого суиматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.

На фиг.1 представлена структурная

Ф электрическая схема преобразователя, 35 на фиг.2 — передаточная характеристи. ка основного АЦП.

Преобразователь содержит источник

1 входного сигнала, первый управляемый переключатель 2 полярности напря жения, основной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, арифметкчес кое устройство 4, блок 5 управления, определитель 6 вида операции, источ- .45 ник 7 напряжения, генерирующий напряжения q(-4, где q -шаг шкалы, сумматор 8, "управляемый переключатель

9 полярности напряжения,, источник

10 напряжения, генерирующий напряжения с f8, сумматор 11, управляемый переключатель 12 полярности напряжения, источник 13 напряжения, генерирующий напряжение (1 /2, где

Й вЂ” число сумматоров, сумматор !4.

Источник 1 подключен ко входу

N-1-ro управляемого переключателя

12, выход которого соединен с первым

3 1123 единены соответственно с управляющими входами первого управляемого переключателя полярности напряжения, основного аналого-цифрового преобразователя, арифметического устройства, первый вход которого соединен с выходом основного аналого-цифрового преобразователя, введены И -1 управляемых переключателей полярности напряжения, N источников напряжения, on- 10 ределитель вида операции и М сумматоров, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего источника напряжения, а второй вход каждого -го сумматора соеди- 15 нен с выходом каждого -го управляемого переключателя полярности напряжения, а выход, кроме первого сумматора, соединен с входом каждого j -1 управляемого переключателя полярности напряжения, вход последнего иэ которых соединен с выходом источника входного сигнала, причем вторые выходы блока управления соединены.с управляющими входамн N -1 управля25 емых переключателей полярности напря. женин и М -1 входами определителя вида операции, М -й вход которого

104 4 входом Й -го сумматора 14. Второй вход К -ro сумматора 14 соединен с

Ж-м источником 13. Выход сумматора

14 соединен со входом N -2-ro управляемого переключателя полярности напряжения (не показан). Выход первого управляемого переключателя 9 соединен с первым входом второго сумматора 11, второй вход которого соединен со вторым источником 10.. Выход второго сумматора 11 соединен со входом управляемого переключателя 2, выход которого соединен с первым вхо. дом первого сумматора 8. Второй вход сумматора 8 связан с первым источником 7 напряжения. Выход первого суиматтора 8 соединен со входом основного АЦП 3, выход которого соединен . со входом арифметического устройства 4. управляющие входы управляемых переключателей полярности напряжения (показаны переключатели 2 ° 9 и

12), основного АЦП 3 и вход связи с арифметическим устройством 4 соединены с блоком 5. Входы определителя

6 соединены с управлякщими входаии управляемых переключателей 2, 9, 12 и другйх. Определитель 6 подает на вход управления видом операции арифметического устройства 4 первый управляющий сигнал, например логическую единицу, если число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии, четно, или второй управляющий сигнал, например логический ноль, если. число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии, нечетно.

При первом сигнале на выходе управления видом операции арифметического устройства 4 код, имеющийся на его входе, после команды от блока 5 прибавляется к ранее накопленной сум ме. При втором сигнале на входе управления видом операции арифметического устройства 4 код имеющийся на его входе, после команды от блока 5 вычитается из ранее накопленной сумиы. Результат преобразования АЦП формируется на выходе арифметическогоустройства 4 в соответствии с формулой (1) i a$ где L; - результат 1 -го преобразования основного АЦП 3

" - число преобразований основного АЦП; например И -го, такта по команде с блока 5 М-1-й управляемый переключатель полярности напряжения (например, 8 -1-й управляемый переключатель 12) переходит во второе состояние. На втором подтакте » -го так» та повторяются предыдудп»е » -1 тактов в произвольной (например, начиная с

1-го и кончая 1 --1-м тактом) последовательности. На третьем подтакте

»-го такта по команде с блока 5

Ы-1-й управляемый переключатель полярности напряжения переходит в первое состояние. В процессе выполнения этих действий на выходе АЦП формируется код 1„

2„t (- ) "» (2)

2» » являющийся результатом преобраэования АЦП.

Работа АЦП поясняется для случая

И=1. В этом случае переключатели 9 и 12, источники 10 и 13, сумматоры

11 и 14 (фиг. 1) отсутствуют, и ape" образуемое напряжение поступает на управляемый переключатель 2, а функционирование АЦЙ ограничивается

Зо вспомогательным и первым тактами.

На первом подтакте первого такта на вход основного АЦП 3 поступает напряжение, равное Т V» g,/4, где Ч значение преобразуемого напряжения, на втором нодтакте первого такта на вход основного АЦП З.поступает напряжение, равное 7 Ч + g /ф . На выходе основного АЦП 3 при этом появляются коды 4, и 4 соответственно. Возникающий на выходе арифмети4О ческого устройства 4 код L 1/2(g„- » ) характеризуется вдвое меньшей погрешностью дискретности, чем погрешность дискретности основного АЦП 3. Это следует из рассмотрения передаточной:

45 характеристики основного АЦП 3 (фиг.2, кривая 15) . Действие первого источника 7 напряжения эквивалентно смещению передаточной характеристики основного АЦП 3 на» /4. По мере увеличения V от значения, равного нулю, значение 4 „- 4 < на выходе арифметического устройства 4, равное 1, достигается при 5 q,/ < Ч > »I,(4,значение, равное 2, достигается при

5 /4 +> У 3» /4. Таким образом, код

L „- 4 2 имеет дискретность, равную

g/2, т.е. вдвое. меньшую, чем дискретность, основного АЦП 3. Это дает воз° 5 1123104

11 - число управляемых переключателей полярности напряжения, находящихся во втором состоянии нри выполнении

t (""го преобразования основного АЦП 3 .

Процесс преобразования MQI зависит от того, какие именно преимущест ва (снижение погрешности дискретносФО ти, шумов, действия входных синфазных напряжений) должны быть реализованы. Снижение погрешности дискретности в 2 " раз при одновременном ослаблении действия входных синфазных нацряжений и шумов достигается

15 при.выполнении приведенной ниже последовательности действий.

Процесс преобразования состоит из .одного вспомогательного такта и К тактов. На вспомогательном такте по команде с блока 5 в арифметическое устройство 4 записывается ноль, а управляемые переключатели полярности напряжения устанавливаются в первое состояние. Каждый такт состоит из трех подтактов. На первом подтак те первого такта (»1. и =0 в формуле (1Ц по команде с блока 5 основной АЦП 3 осуществляют преобразование имеющегося у него на входе напряжения.: в код 4 . На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код

Ь» ° На втором подтакте по команде с блока 5 первый управляемый переключатель 2 переходит во второе состояние f » 2, »» 1 в формуле (1)), и основной АЦП 3 преобразует имеющееся у него на входе напряжение в код 42 . На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код

1/2 (1,-L2). На третьем подтакте первого такта управляемый переключатель 2 ко команде с блока 5 устанавливается в первое состояние. На первом подтакте второго такта по команде с блока 5 первый управляемый переключатель 9 переходит во второе состояние. На втором подтакте второго такта повторяются операции первого такта. На выходе арифметического устройства 4 при этом возникает код

1/4 (Ь„-Ь -Ь +ЬЧ) где Ь3 H IJy QQ ды на выходе осйовного АЦН 3 на втором подтакте второго такта. На третьем подтакте второго такта по ко" маиде с блока 5 первый управляемый переключатель 9 переходит в первое состояние. На первом подтакте -ro

7 1f можность рассматривать устройство, содержащее переключатель 2, преобразователь 3, устройство 4, блок 5, .определитель 6, источник 7, сумматор

8, как АЦП с передаточной характеристикой (Фиг .2>кривая 16) н погрешностью дискретности вдвое меньшей, чем у основного АЦП З.Прибавление к АЦП, состоящему из указанных элементов, переключателя 9, источника 10 и сумматора 11 снижает погрешность дискретности еще вдвое.

Ослабление действия переменных синфазных входных напряжений и шумов при сохранении точности, характерной для точного и медленнодействующего управляемого переключателя полярнос ти напряжения, связано с возможностью использования в качестве управляемого переключателя 12 полярности напряжения точного и медленнодействующего элемента, построенного, например, на герконах. Управляемый переключатель 2 полярности напряжения при этом должен быть быстродей-ствующим и может вносить значительное напряжение смещения без ущерба для точности АЦП. Порядок действий может быть упрощен, если достаточно незначительное, например четырехкратное (92), снижение погрешности дискретности. В этом случае снижение действия входных синфазных напряжений и шумов достигается выполнением 2-М (М вЂ” целое положительное число) преобразований основного АЦП

3 при первом состоянии управляемого переключателя 12 полярности напряжения и 2М преобразований основного

АЦП 3 прн втором состоянии этого элемента, причем каждое нечетное пре. образование из 2М преобразований соответствует первому, а каждое четное — второму состояниям управляемого. переключателя 2. Результат преобразования АЦП в этом случае формиру-.

23104 8 ется как сумма 4М кодов, соответству ющих 4М преобразованиям при первом и втором состояниях управляемого пере- ключателя 12 полярности напряжения.

Знаки кодов ;, формирующих в соответствии с (!) результат преобразования АЦП L, определяются в соответствии с изложенным ранее порядком работы арифметического устройства 4

10 и определителя 6 вида. Ослабление действия переменных синфаэных напряжений связано с уменьшением приращения абсолютной погрешности, вносимой переменным сиифазным напряжением на

15 интервапе двух следующих одно за другим преобразований основного АЦП

3. и со статистическим усреднением этих приращений. Снижение шуиов обусловлено их статистическим усреднением

20 и переносом спектра полезного сигнала в область повышенных частот, свободную от низкочастотных шумЬв.

Использование дополнительных элементов выгодно отличает преобраэова25 тель от прототипа, так как при том же наборе элементов за счет использования источников напряжения и сумматоров удается значительно снизить погрешность дискретности, погрешнос30 ти от синфазного сигнала, шумов и входных токов.

Получаемый за счет повышения точности эффект может быть весьма значительным, если, например, использо35 вать дешевый АЦП с малым числом разрядов вместо дорогого многоразрядного АЦП. Целесообразность нрииенения предлагаемого АЦП повышается в тои

„ случае, если имеется очень точный, но малоразрядный основной АЦП, изготовленный в виде законченного модуля, причем доступ к его внутренним точкам (например, для подключения дополнительных разрядов АЦП) отсут-.

45 ствует..

1123104

Фиа1

ВНИИПИ Заказ 8154 43 Тн ак 861 Пощщсное

I1II3