УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ


RU (11) 2013863 (13) C1

(51) 5 H03M1/18 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1994.05.30 
(21) Регистрационный номер заявки: 4955495/24 
(22) Дата подачи заявки: 1991.06.28 
(45) Опубликовано: 1994.05.30 
(71) Имя заявителя: Московский энергетический институт 
(72) Имя изобретателя: Быков А.П.; Диденко В.И.; Мороз П.А.; Турковский С.Н.; Шершень А.Н. 
(73) Имя патентообладателя: Быков Александр Петрович 

(54) УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в хроматографах и других цифровых измерительных приборах, а также в измерительных системах. Целью изобретения является повышение точности устройства аналого-цифрового преобразователя. Цель достигается тем, что в устройстве аналого-цифрового преобразования, содержащем источник образцового напряжения, цифроаналоговый преобразователь, усилитель разности, аналого-цифровой преобразователь, сумматоры, регистры и блок управления, выходы регистров подключены к входам второго сумматора, выход первого сумматора - к информационным входам второго регистра, а в качестве цифроаналогового преобразователя (ЦАП) используется схема на преобразователе напряжение - ток, делителях тока, разрядных ключах и переключателях, управляющие входы которых объединены и являются цифровым управляющим входом ЦАП, который подключен к одному из выходов блока управления. Благодаря этому удается скомпенсировать погрешности дифференциальной и интегральной линейности цифроаналогового преобразователя без увеличения динамической погрешности. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в хроматографах и других цифровых измерительных приборах, а также в измерительных системах.

Известен аналого-цифровой преобразователь, состоящий из источника образцового напряжения, цифроаналогового преобразователя, усилителя разности, вспомогательного аналого-цифрового преобразователя и блока управления, причем входом всего аналого-цифрового преобразователя является первый вход усилителя разности, выход которого соединен с входом вспомогательного аналого-цифрового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом усилителя разности, выход источника образцового напряжения соединен с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя [1] .

Недостатком данного устройства является невысокая точность.

Известно устройство аналого-цифрового преобразователя, содержащее усилитель разности, первый вход которого является входной шиной, выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами первого сумматора, выходы которого подключены к информационным входам первого регистра, второй регистр, выходы которого соединены с вторым входом первого сумматора и с соответствующими цифровыми информационными входами цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а выход - к второму входу усилителя разности, блок управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входом управления аналого-цифрового преобразователя, входами записи первого и второго регистров и входом сброса второго регистра, и второй сумматор [2] .

Недостатком данного устройства является достаточно высокая статическая составляющая погрешности, так как отсутствуют цифроаналоговые преобразователи в микроисполнении с числом разрядов не менее 19 бит и погрешностью дифференциальной линейности не более 0,0002% . На основе микросхемы малоразрядного цифроаналогового преобразователя типа У2ПА2091, который может быть заключен, например, по схеме [3] , можно построить цифроаналоговый преобразователь с относительно малой погрешностью линейности. Основную долю в состав этой погрешности вносит аналоговый усреднитель, построенный на базе аналогового запоминающего устройства: из-за ограниченного времени хранения с требуемой точностью и абсорбционных явлений в конденсаторах аналоговых запоминающих устройств. Кроме того, наличие аналогового усреднителя увеличивает динамическую погрешность аналого-цифрового преобразователя, связанную с изменением входного сигнала. Между тем в ряде применений, например при хроматографическом анализе газовой смеси, требуются аналого-цифровые преобразователи с разрешающей способностью не менее 20 бит и с погрешностью дифференциальной линейности не более 0,0001% при скорости изменения входного сигнала до 2 В/с.

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования.

Цель достигается тем, что в устройстве аналого-цифрового преобразования, содержащем усилитель разности, первый вход которого является входной шиной, выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами первого сумматора, выходы которого подключены к информационным входам первого регистра, второй регистр, выходы которого соединены с вторым входом первого сумматора и с соответствующими цифровыми информационными входами цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а выход - к второму входу усилителя разности, блок управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входом управления аналого-цифрового преобразователя, входами записи первого и второго регистров и входом сброса второго регистра, и второй сумматор, дополнительно соединены выходы первого сумматора с соответствующими информационными входами второго регистра, выходы которого подключены к первым входам второго сумматора, вторые входы которого соединены с выходами первого регистра, а выходы являются выходной шиной, при этом пятый выход блока управления соединен с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, при этом цифроаналоговый преобразователь выполнен на преобразователе напряжение - ток, вход которого является аналоговым входом преобразователя, n делителях тока, n переключателях и n-разрядных ключах, информационные входы которых соединены с первыми выходами соответствующих переключателей, входы управления являются соответствующими цифровыми информационными входами преобразователя, первые выходы объединены и являются выходом преобразователя, а вторые выходы объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выход преобразователя напряжение - ток соединен с входами первого делителя тока вход i-го из остальных делителей тока соединен с вторым выходом (i-1)-го переключателя, входы управления переключателей объединены и являются цифровым управляющим входом преобразователя, а их первые и вторые информационные входы соединены с одноименными выходами соответствующих делителей тока, при этом второй выход n-го переключателя является шиной нулевого потенциала.

В отличие от прототипа в предлагаемом решении имеются новые признаки: выходы первого сумматора соединены с соответствующими информационными входами второго регистра, выходы которого подключены к первым входам второго сумматора, вторые входы которого соединены с выходами первого регистра, а выходы являются выходной шиной, при этом пятый выход блока управления соединен с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, а цифроаналоговый преобразователь выполнен на преобразователе напряжение - ток, вход которого является аналоговым входом преобразователя, n делителях тока, n переключателях и n-разрядных ключах, информационные входы которых соединены с первыми выходами соответствующих переключателей, входы управления являются соответствующими цифровыми информационными входами преобразователя, первые выходы объединены и являются выходом преобразователя, а вторые выходы объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выход преобразователя напряжение - ток соединен с входами первого делителя тока, вход i-го из остальных делителей тока соединен с вторым выходом (i-1)-го переключателя, входы управления переключателей объединены и являются цифровым управляющим входом преобразователя, а их первые и вторые информационные входы соединены с одноименными выходами соответствующих делителей тока, при этом второй выход n-го переключателя является шиной нулевого потенциала.

Положительный эффект достигается за счет того, что при коммутационном инвертировании выходного сигнала цифроаналогового преобразователя, выполненного на основе делителей тока пополам, переключателей тока и разрядных ключей, а также при подключении выходов первого сумматора к соответствующим информационным входам второго регистра, выходы которого подключены к первым входам второго сумматора, вторые входы которого соединены с выходами первого регистра, а выходы являются выходной шиной, при этом пятый выход блока управления соединен с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, цифровым усреднением удается скомпенсировать погрешность дифференциальной линейности цифроаналогового преобразователя и тем самым значительно повысить линейность характеристики преобразования устройства.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, аналогичные заявляемому решению, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства (УПЦП), содержащая источник 1 образцового напряжения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 2, усилитель 3 разности (УР), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, блок 5 управления (БУ), первый сумматор (СМ1) 6, первый регистр 7 (РГГ1), второй регистр (РГ2) 8, второй сумматор (СМ2) 9.

Элементы схемы соединены следующим образом. Входом УАЦП является первый вход блока 3, выход блока 1 соединен с аналоговым входом блока 2, цифровой управляющий вход управления последнего подключен к пятому выходу блока 5, первый выход которого соединен с входом управления блока 4, выход блока 2 соединен с вторым входом блока 3, выход блока 3 соединен с входом блока 4, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами блока 6, выходы которого соединены с информационными входами блоков 7 и 8, выход блока 7 подключен к второму входу блока 9, первый вход которого соединен с выходом блока 8, вторыми входами блока 6 и цифровыми информационными входами блока 2, выход блока 9 является выходной шиной УАЦП, вход записи блока 7 соединен с вторым выходом блока 5, вход записи блока 8 соединен с четвертым выходом блока 5.

На фиг. 2 показана схема блока 2 (ЦАП). Схема содержит: 2.1 - преобразователь напряжение-ток, 2.2.1 - 2.2. n - разрядные ключи 2.3.1 - 2.3. n - переключатели токов, 2.4.1 - 2.4. n - делители токов пополам, где n - число разрядов ЦАП.

Элементы схемы соединены следующим образом. Аналоговый вход блока 2 соединен с входом блока 2.1, выход которого соединен с входом блока 2.4.1, выходы блоков 2.4.1 - 2.4. n соединены с входами соответствующих блоков 2.3.1 - 2.3. n, первые выходы которых соединены с входами соответствующих блоков 2.2.1 - 2.2. n, вторые выходы которых соединены с входами последующих блоков 2.4.2 - 2.4. n, второй выход последнего переключателя тока соединен с шиной нулевого потенциала, входы управления блоков 2.3.1 - 2.3. n соединены между собой и являются цифровым входом управления блока 2, первые выходы блоков 2.2.1 - 2.2. n соединены между собой и являются выходом блока 2, входы управления блоков 2.2.1 - 2.2. n являются цифровыми информационными входами блока 2.

На фиг. 3 приведен вариант схемы блока 5 (БУ). Схема содержит: 5.1 - генератор тактовой частоты с кварцевым резонатором, 5.2, 5.6 - одновибраторы, 5.3 - резистор R1, 5.4 - конденсатор С1, 5.5, 5.7 - триггеры.

На фиг. 4 приведены временные диаграммы работы блока 5 (БУ). На диаграмме А - импульсы тактовой частоты блока 5.1, на диаграмме Б - команда пуска блока 4 (выход 1 блока 5), на диаграмме В - команда управления блоком 2 (выход 5 блока 5), на диаграмме Г - команда записи выходного кода блока 6 в блок 8 (выход 3 блока 5), на диаграмме Д - команда записи выходного кода блока 6 в блок 7 (выход 2 блока 5).

УАЦП работает следующим образом.

При включении питания +5 В происходит предварительная установка РГ2 (блок 8) и триггера (блок 5.5) с помощью интегрирующей цепочки R1C1 (блоки 5.3 и 5.4). При этом на цифровых информационных входах ЦАП (блок 2) устанавливается код Niнач.

Входное напряжение УАЦП (Uвх) поступает на первый вход УР (блок 3), при этом его выходное напряжение равно

UIвых = (Uвых - U1цап)К1н, где U'цап - значение выходного напряжения ЦАП (блок 2) до коммутационного инвертирования внутреннего состояния, соответствующее коду Niнач; К1н - номинальный коэффициент усиления УР (блок 3).

Напряжение U'вых преобразуется по команде (диаграмма Б, фиг. 5), от БУ (блок 5) с помощью АЦП (блок 4) в цифровой код N1

N1 = K1н К2н(Uвх - U'цап), где К2н - номинальный коэффициент преобразования АЦП (блок 5).

По команде (диаграмма Д, фиг. 5) от БУ (блок 5) происходит запись кода N1 в РГ1 (блок 7) и коммутационное инвертирование внутреннего состояния ЦАП (блок 2) (диаграмма Б, фиг. 6). При этом выходное напряжение УР (блок 3) становится равным

U"вых = (Uвх- U"цап)К1н, где U"цап - значение выходного напряжения ЦАП (блок 2) после коммутационного инвертирования внутреннего состояния, соответствующее коду Niнач.

По команде (диаграмма Б, фиг. 5) от БУ (блок 5) напряжение U"выхпреобразуется с помощью АЦП (блок 4) в цифровой код N2.

N2 = K1нК2н(Uвх - U"цап),

По команде (диаграмма Г, фиг. 5) от БУ (блок 5) происходит запись кода N2 в РГ2 (блок 8).

Коды N1 и N2, соответствующие напряжениям U'вых и U"вых, поступают на входы СМ1 (блок 6). При этом на выходе СМ1 (блок 6) имеем соответственно коды

N3' = Niнач + N1,

N3" = Niнач + N2.

При этом на цифровых входах ЦАП (блок 2) устанавливается код N3",который используется при следующем аналого-цифровом преобразовании входного сигнала.

На выходе СМ2 (блок 9) тем временем образуется результирующий код УАЦП

Nвых = (2Niнач + N1 + N2)/2.

Деление на два осуществляется отбрасыванием младшего значащего разряда кода Nвых.

Аналогично, результатом следующего АЦ преобразования уже будет код

N'вых = (2N3" + N4 + N5)/2, где N4 и N5 - выходные коды АЦП (блок 4) при очередном АЦ преобразовании. Перезапуск УАЦП осуществляется автоматически от блока 5.1 (диаграмма А, фиг. 4).

Достижение повышения точности в предлагаемом устройстве обеспечивается следующим образом.

Для входного кода ЦАП (блок 2) Niнач, полагая для простоты анализа K1н = 1, получим выражения для абсолютной погрешности ЦАП (блок 2), приведенной к входу УАЦП соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП

= Niнач К3н - U'цап, (1)

= Niнач К3н - U"цап, (2) где К3Н - номинальный коэффициент преобразования ЦАП (блок 2).

Абсолютная погрешность АЦП (блок 4), приведенная к входу УАЦП соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП при входном коде Niнач, равна

= N1/K2н - U'вх, (3)

= N2/K2н - U"вх, (4) где U'вх и U"вх - значения входных напряжений АЦП (блок 4) соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП при входном коде Niнач, причем

U'вх = Uвх - U'цап, (5)

U"вх = Uвх - U"цап. (6)

Абсолютная погрешность УАЦП по входу соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП при входном коде Niнач равна

= Niнач К3н + Ni/К2н - U'вх, (7)

= Niнач К3н + N2/K2н - U"вх. (8)

Решая систему уравнений (1)-(8), получим выражения для абсолютных погрешностей УАЦП по входу соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП при входном коде Niнач

= + 

= + 

Представим погрешности и " в виде

= + м2 Uцап' + + (9)

= + м2 Uцап" - + (10) где и а2" - напряжения смещения нуля ЦАП соответственно до и после коммутационного инвертирования внутреннего состояния ЦАП при входном коде Niнач, м2 - относительная погрешность коэффициента преобразования ЦАП, - погрешность линейности ЦАП (блок 2), соответствующая входному коду Niнач.

После выполнения операции цифрового усреднения результатов аналого-цифрового преобразования напряжений U'вых и U"вых в соответствии с выражениями (9)-(10), поскольку погрешность при коммутационном инвертировании внутреннего состояния ЦАП изменяет знак, получим погрешность, приведенную к входу УАЦП = + м2 Uцап + + где - остаточная погрешность линейности ЦАП, соответствующая входному коду Niнач, приведенная к входу УАЦП. Таким образом, скомпенсирована погрешность линейности ЦАП для точки Niнач диапазона преобразования до уровня причем << л2.

При выборе значения (К1н К2н), равным 5000, а в качестве блока 4 - микросхему типа КР1108ПВ2А, погрешность не превысит значения 3 мкВ, (0,00003% для номинального входного диапазона 10В). Выбрав в качестве блока 2 микросхемы типа У2ПА2091 и М2ПАЦ4171А, погрешность не превысит значения 7 мкВ (0,00007% ), в то время как типичное значение примерно равно 1 мВ (0,01% ). Следовательно, погрешность линейности УАЦП уменьшена на два порядка. Блоки схемы фиг. 3 можно реализовать на основе следующих микросхем: 5.1 - КР580ГФ24; 5.2, 5.6 и 5.8 - К555АГ3; 5.5 и 5.7 - К555ТМ2; Блоки 3 и 1 можно реализовать соответственно по схемам [4] и [5] , блоки 6 и 9 - на основе микросхем типа К555ИМ1, блоки 7 и 8 - на основе микросхем типа К155ИР13.

Указанные выше преимущества обеспечивают повышение точности УАЦП до 0,0001% . (56) 1. Бахтиаров Г. Д. , Малинин В. В. , Школин В. П. Аналого-цифровые преобразователи. М. : Советское радио, 1980, рис. 7.28, с. 204.

2. Авторское свидетельство СССР N 1490712, кл. Н 03 М 1/18, 1987.

3. Авторское свидетельство СССР N 1064453, кл. Н 03 К 13/02, 1985.

4. Бахтиаров Г. Д. , Малинин В. В. , Школин В. П. Аналого-цифровые преобразователи. М. : Советское радио, 1980, рис. 3.6-б, с. 52.

5. Бахтиаров Г. Д. , Малинин В. В. , Школин В. П. Аналого-цифровые преобразователи, М. : Советское радио, 1980, рис. 3.20-б, с. 71. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. УСТРОЙСТВО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, содержащее усилитель разности, первый вход которого является входной шиной, выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами первого сумматора, выходы которого подключены к информационным входам первого регистра, второй регистр, выходы которого соединены с соответствующими вторыми входами первого сумматора и цифровыми информационными входами цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к выходу источника образцового напряжения, а выход - к второму входу усилителя разности, блок управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входом управления аналого-цифрового преобразователя, входами записи первого и второго регистров и входом сброса второго регистра, и второй сумматор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, выходы первого сумматора соединены с соответствующими информационными входами второго регистра, выходы которого подключены к первым входам второго сумматора, вторые входы которого соединены с выходами первого регистра, а выходы являются выходной шиной, при этом пятый выход блока управления соединен с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цифроаналоговый преобразователь выполнен на преобразователе напряжение - ток, вход которого является аналоговым входом преобразователя, n делителях тока, n переключателях и n-разрядных ключах, информационные входы которых соединены с первыми выходами соответствующих переключателей, входы управления являются соответствующими цифровыми информационными входами преобразователя, первые выходы объединены и являются выходом преобразователя, а вторые выходы объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выход преобразователя напряжение - ток соединен с входом первого делителя тока, вход i-го из остальных делителей тока соединен с вторым выходом (i - 1)-го переключателя, входы управления переключателей объединены и являются цифровым управляющим входом преобразователя, а их первые и вторые информационные входы соединены с одноименными выходами соответствующих делителей тока, при этом второй выход n-го переключателя является шиной нулевого потенциала.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru