Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей

Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

?883?4 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 070778 (21) 2637842/18-21 с присоединением заявки ¹(23) Приоритет—

Опубликовано 151280.Бюллетень 1 1о 46

Дата опубликования описания 15,1280 (51)М. Кл.3

Н 03 К 13/20

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 681. 325 (088.8) (72) Авторы изобретения

E.Á. Грейз и А.И. Мехович (71) Заявитель

Центральное конструкторское бюро гидрометеорологичсского приборостроения (54 ) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЦИФРОВОЙ

КОРРЕКЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Изобретение относится к измерительной технике и может 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- 10 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 точнос- )0

2 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 (11.

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 погрешg t .

788374 настей, содержащий источники измеряемого и двух эталонных напряжений, ггреобразователь 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 ссдьмым 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 суммирующегo счетчика соединен с входом блока управления, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого суммирующего и второго реверrHíèoão 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 калибровки 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 уп-. равления,параметры команд которого зависят от величины измеряемого напряжения.

Источник 1 первого эталонного напряжения U предназначен для задания постоянного напряжения, величина котощо рого не превосходит нижней границы диапазона измеряемых напряжений. Например, если измеряемые напряжения U< находятся в диапазоне от 0 до 1 В, то величина напряжения U>- =08. Источник 2 второго эталонного напряжения U ïðåäназначен для задания постоянного напряжения, величина которого не ниже верхней границы диапазона измеряемых напряжений. Например, если измеряемые напряжения U находятся в диапазоне

d0 от 0 до 1 В включительно, то величина напряжения U>3 1В. Источник 3 измеряемого напряжения Ох задает постоянное напряжение, значение которого требуется представить в цифровом ви65 qe. Аналоговые ключи 4,5,6 предназ—

Цель изобретения — повышение быстродействия и точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей, 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 перного, второго и третьего элементов И, выходы первого и второго элементов И соединены с вычитающим и суммирующим 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, 15 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 выхоgg дом делителя, входом подключенного к выхбду 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 структурная

35 схема аналого-цифрового преобразователя, содержащего источник 1 первого эталонного напряжения Оо, источник 2 второго эталонного напряжения О,п, 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 2?.

788374 начены для поочередного подключения источников 1,2 и 3 ко входу преобразователя напряжение-частота 7. Преобразователь напряжение-частота 7 осуществляет преобразование величины входного напряжения в частоту, причем преобразователь имеет как аддитивную погрешность (ухода нуля), так и мультипликативную погрешность (изменение 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 счетчик 15 постоянной емкости, выход которого связан с тактирующим (сдвигающим) входом регистра 8. Счетчик 10 двоичный реверсивный счетчик. Счетчик 11 — счетчик результата измере- 2р ния напряжения О» . Счетчик 12 — реверсивный счетчик. Генератор 13 предназначен для получения стабильной (постоянной) частоты. Он может быть выполнен на базе кварцевого генератора. Для нормального функционирования устройства достаточно, чтобы частота генератора 13 отвечала соотношению

Рг 441дх Я ) где Р„ = сопь — частота генератора

13; 30 и мах максимальная частота, которую может формировать на своем выходе преобразователь напряжениечастота 7.

Соотношение (1) поясним ниже после рассмотрения работы устройства.

Двоичный умножитель 19 предназначен для формирования количества импуль- щ сов., отвечающих соотношению (2)

Н I0 Н

АВЧмн Е

45 где N — количество импульсов на выходе двоичного умножнтеля;

N II — число в счетчике 10, N „„ — число в счетчике 11, Š— емкость каждого из счет- 5р чиков 10 и 11.

Примером двоичного умножителя может служить микросхема К155ИЕ8, один корпус которой позволяет подключить счетчик на 6 разрядов, т.е. E=2 два по- 5

6 следовательно подключенных корпуса

К155ИЕ8 — на 12 разрядов, т. е. Е=2 и т.д.

Устройство работает следующим образом.

По команде "Начальная установка," 4Р поступакщей на шину начальной установки 22, делитель 9 и счетчики 10, 11 и 12 обнуляются, триггеры 20.,и

21 устанавливаются в "0" состояние, в первый разряд сдвигающего регист- 65 ра 8 записывается "1", во второй и третий разряды регистра записывается

"0" . Этот момент является моментом начала работы устройства. Единичный сигнал с выхода первого разряда регистра 8 является разрешением на замыкание переключателя 4 и разрешением на прохождение сигнала по первому входу элемента И 14. Источник 1 первого эталонного напряжения U 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 Т„, определяется выражением:

Е и< = — соп, (3) где Š— емкость делителя, F — частота генератора 13.

Для. предлагаемого прибора величины E F постоянны. В течение времени Тн< в счетчики 10 и 12 запишется п1сло

N F4 ТЧ l (1 где N — число в счетчике 10 (и в

1 счетчике 12);

F » — -частота на выходе преобразователя 7, соответствующая эталонному напряжению 0, .

Момент сдвига "1" с первого разряда регистра 8 во второй разряд зтого регистра является началом второго такта измерения ТН2 . 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 О оказывается подключенным ко входу преобразователя 7, а источник 1 отключается, так как в первом разряде регистра 8 остается "0".

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

Е

7Н2 "и С0" где Т вЂ” длительность второго интерИ2 вала измерения.

В течение времени Т в счетчик 10 за пишется число (-) ) где К вЂ” число, записанное в счетчик

10 по суммирующему входу, F — частота на выходе преобра2 зователя 7, соответствующая эталонному напряжению Ощ.

Число й2 будет больше числа й;,, так как частота Г, F,I вследс тяr!:. тc" го, что 0,„ О,,. Таким образом, после окончания второго интервала измер; †.ния в счетчике 10 буд; ." --:ë=-,rrrrà|;ñ

Nr0 1+ 2 (N 2 N f ) >

Момейт сдвига "1" со второго раз— ряда в третий является началом третьего такта измерения TI:. 1"1ини".rrûé

5* сигнал с выхода третььго разряда регистра 8 дает разрешение на замыкание ",О ключа 6 и разрешение на прохождение сигнала по первому входу элемента И

16. Источник 3 измеряемого напряжения Ux оказывается подключенным ко входу преобразователя 7, а исто r»r!r< 2 15 отключается, так как во H r îðîì разряде регистра 8 остается "0". r,астота с выхода преобразователя 7 через элемент И 16 поступает на элемент И

18 и суммирующий вход счетчика 12. 2п

Этот процесс продолжается до поступ- . ления на тактирующий вход регистра 8 третьего импульса переполнения с выхода делителя 9, т. е. н течение интервала

25 т„ = т,= т„,, где Т - длит ельност ь третьего и нт ервала измерения.

В течение времени Т с выхода преобразователя 7 поступит ИХимпульсов )Q

Х 3 и 3 где М Х вЂ” количество импульсов с выхода преобразователя 7, F — частота на выходе преобраз ов ателя 7, rîoòв етст вующая измеряемому напряжению U .. х

Отметим, что Н а N y М.„>, так как Г с F> <. F ввиду того, что U «О„» U

Импульсы NX поступают на суммирую- 4О щий вход счетчика 12 и на элемент

И 18. Однако триггер 20 находится в нулевом состоянии, тем самым лается запрет на прохождение импульсов Ny через элемент И 18. Как только на ц суммирующий вход счетчика 12 поступит число счетчик 12 окажется в "0", импульсом обнуления с выхода счетчика 12 уста- 5О навливается в "1" триггер 20. Этим дается разрешение на прохождение импульсов Nrr через элемент И 18. Отметим, что на выходе триггера 20 сигнал "1" останется до окончания работы устройства, т.е. импульс обнуления с выхода счетчика 12 может устанавливать этот триггер только в "1", и если в процессе работы на вход счетчика 20 поступит еще один или несколько импульсов обнуления с выхода бо счетчика 12, то этим состояние триггера 20 не может быть изменено (подтверждение состояния). Импульс Н k под номЕРом Nrr=й1 + 1 постУпит чеРез элемент И 18 на вход триггера 21, установит триггер 21 в состояние "1", тем

"..амым 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 "0". Этим дается запрет на прохождение импульсов через элемент И 17 на вход счетчика 11. Импульс с выхода преобразователя 7 под номером Nx3 = — N1 + 2 вновь установит триггер 21 в "1", дается сигнал разрешения на элемент И 17, счетчик 11 заполняется импульсами с выхода генератора 13, появляется импульс на выходе двоичного умножителя 19 и т.д.

Так будет продолжаться до импульса под номером N e где Nrr определяется выражением (7). С учетом (8) количество импульсов с выхода двоичного умножителя 19 равно: (9) где N > — количество импульсов с выхода двоичного умножителя в течение Т,.

Количество импульсов на выходе двоичного умножителя связано с количеством импульсов на выходе соотношения (Z). С учетом (4) и (5) можно записать

NI0 Р2 Тщ- F) Т = (Fg — "1 ) Тщ

Используя (2), (4) и (7), получим и .. Г (M x.- M j - Е ((х - Г 1Т и н И, (Г,- „) rP„„(V,-Т „),„

Отсюца

Характеристику преобразователя напряжение-частота 7 представим в виде

Fa X= О + "ЬХ (44) где F — частота на выходе преобразоьых в ателя, U8 — напряжение на входе преобМ раз ов ателя, F — начальное значение частоты преобразователя, k — коэффициент, характеризующий наклон характеристики преобразователя.

Так как время измерения незначительно по сравнению с постоянными времени изменения параметров преобразователя, то k=const и Г@ =сопьt для этого измерения. Тогда из (11) следует

0 Оу

Гу = Е, + k Urer >

Fx-=F, +kU„.

788374

Формула изобретения

Подставив эти значения в (l 0), получим 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 счет- Щ чика 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 счет— чика 11 r 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 4Q 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 ) 4>

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 как момент получения информации определяется измеряемым напряжением.

Аналого-цифровой преобразователь цифровой коррекцией погрешностей, 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 суммирующим 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, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности преобразования, 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.

Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 33663333220022,кл.340-347, 04.02.72.

° 2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2610467/21,кл.H 03 К 13/20.

788374

Составитель Л.Беляева

Техред М.Кузьма Корректор О.Ковинская

Редактор Н,Кешеля

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8377/б9 Тираж 995 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5