Аналого-цифровой преобразователь

 

. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий накопительный конденсатор, первая обкладка которого соединена с общей шиной, первые входы первого и второго компараторов объединены, соединены с второй обкладкой накопительного конденсатора и выходами первого и второго управляемых источников тока, управляющие входы которых соединены соответственно с первыми и вторыми выходами блока управления и регистрации , первый вход аналогового ключа соединен с третьим выходом блокауправления и регистрации, выходы первого и второго компараторов соединены соответственно с первым и BTopt iM входами блока управления и регис трации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены резистор, блок сравнения , блок коррекции, третий управляемый источник тока, выход которого соединен с вторым входом второго компаратора , первьи выводом второго компаратора и первым выводом резистора, второй вывод которого объединен с вторым входом первого компаратора и является входной шиной, первый вход первого компаратора объединен с первым входом блока коррекции, второй вход которого является щиной опорного напряжения, третий вход объединен с первьп входом третьего .управляемого источника тока и является шиной питания, второй вход третьего управляемого источника тока соедисл нен с выходом блока коррекции, при этом вторая обкладка накопительного конденсатора соединена с вторым ВХОДОМ аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной, причем четвертый выход блока управления и регистрации является шиной, младших разрядов, пятый выход - шию ной старших разрядов и соединен с э первым входом блока сравнения, второй вход которого является шиной кода уставки, а выход соединен с о третьим входом блока управления и регистрации, четвертый вход является шиной Пуск, а. шестой выход соединен с четвертым входом блока коррекции , второй выход соединен с третьим входом второго компаратора. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления и регистрации вьаюлнен на четырех триггерах, двух одновибраторах , трех счетчиках, генераторе тактовых импульсов, пяти элементах

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ Х

РЕСПУБЛИН (19) (11) 1 11 4 Н 03 М 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3709424/24-24 (22) 11.03.84 (46) 23.12.85, Бюл. Ф 47 (71), Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им.В.И. Ленина (72) В.Е. Ямный, В.П. Дорошев, А.А. Иванова и В.В. Шляхтин (53) 68).325(088.8) (56) Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.Н. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Советское радио, 1980, с.27-29.

Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вжислительных устройств. И.: Энергия, 1975, с.376-380, рис.8-6.

Авторское свидетельство СССР

Ф 801244, кл. Н ОЗ К 13/20, 1981. (54)(57) 1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий накопительный конденсатор, первая обкладка которого соединена с общей шиной, первые входы первого и второго компараторов объединены, соединены с второй обкладкой накопительного конденсатора и выходами первого и второго управляемых источников тока, управляющие входы которых соединены соответственно с первыми и вторыми выходами блока управления и регистрации, первый вход аналогового ключа соединен с третьим выходом блока, управления и регистрации, выходы первого и второго компараторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления и регистрации, о т л ы ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены резистор, блок сравнения, блок коррекции, третий управляемый источник тока, выход которого соединен с вторым входом второго компаратора, первым выводом второго компаратора и nepabw выводом резистора, второй вывод которого объединен с вторым входом первого компаратора и является входной шиной, первый вход первого компаратора объединен с первым входом блока коррекции, второй вход которого является шиной опорного напряжения, третий вход объединен с первым входом третьего .управляемого источника тока и является шиной питания, второй вход третьего управляемого источника тока соединен с выходом блока коррекции, при этом вторая обкладка накопительного конденсатора соединена с вторым входом аналогового ключа, выход которого соединен с общей шиной,.причем четвертый выход блока управления и регистрации является шиной младших разрядов, пятый выход — шиной старших разрядов и соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого является шиной кода уставки, а выход соединен с третьим входом блока управления и регистрации, четвертый вход является шиной "Пуск", а.шестой выход соединен с четвертым входом блока коррекции, второй выход соединен с третьим входом второго компаратора.

2. Преобразователь по п.I о тл и ч а ю шийся тем, что блок управления и регистрации выполнен на четырех триггерах, двух одновибраторах, трех счетчиках, генераторе тактовых импульсов, пяти элементах

12004

И, при этом первый вход первого триг- гера является четвертым входом блока управления и регистрации, второй вход первого триггера соединен с выходом первого одновибратора, инверсный выход первого триггера является третьим выходом блока управления и регистрации, вход второго одновибратора объединен с первыми входами второго и третьего триггеров и соединен с прямым выходом первого триггера, второй вход второго триггера объединен с вторым входом третьего триггера, с первыми входами первого,второго и третьего элементов И и соединен с выходом генератора тактовых импульсов, причем первые входы первого, второго, третьего счетчиков и третий вход второго триггера объе. динены и соединены с выходом второго одновибратора, четвертый вход второго триггера является первым входом блока управления и регистрации, инверсный выход второго триггера является первым выходом блока управления и регистрации и соединен с вторым входом второго элемента И, первый вход четвертого элемента И объединен с первым входом четвертого триггера и соединен с прямым выходом второго триггера, второй вход четвертого триггера соединен с общей шиной, третий вход — с выходом первого счетчика, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым входом пятого элемента И и соединен с инверсным выходом четвертого триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с третьим входом третьего триггера, прямой выход которого является вторым выходом блока управления и регистрации и соединен с вторым входом третьего элемента И, третий вход которого объединен с входом первого одновибратора и является вторым входом блока управления и регистрации, а выход соединен с вторым входом третьего счетчика, выход которого является четвертым выходом блока управления и регистрации, пятый выход которого соединен с выходом второго счетчика, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, третий вход которого является вторым входом блока управления и регистрации,третий вход блока которого является вторым входом пятого элемента И, выход которого является шестым выходом блока управления и регистрации, 3. Преобразователь по п,1, о тл и ч а ю щ и и с.я тем, что блок коррекции выполнен на реверсивном счетчике, цифроаналоговом преобразователе, двух резисторах, транзисторе, компараторе, первый вход которого является первым входом блока коррекции, второй вход объединен с первым выводом первого резистора и соединен с коллектором транзистора, а выход — с первым входом реверсивного счетчика, второй вход которого является четвертым входом блока коррекции, а выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с базой транзистора и является выходом блока коррекции, при этом эмиттер транзистора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого является третьим входом блока коррекции, второй .вывод первого резистора является вторым входом блока коррекции.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для преобразования входного напряжения в код.

Целью изобретения является повышение точности аналого-цифрового преобразования.

На фнг.1 представлена функциональная схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2-4 — графики, поясняющие его работу; на фиг. 5— принципиальная схема блока управления и регистрации; на фиг.б — временные диаграммы, поясняющие его работу;

1200421 на фиг,7 — принципиальная схема блока коррекции.

Аналого-цифровой преобразователь содержит входную шину !, управляемые источники 2-4 тока, резистор 5, первый 6 и второй 7 компараторы, блок 8 коррекции, блок 9 управления и регистрации, блок 10 сравнения, шину 11 кода уставки, шину 12 выходного кода старших разрядов, шину 13 выходного кода младших разрядов, накопительный конденсатор 14, аналоговый ключ 15, шину 16 источника питания, .шину 17 источника опорного напряжения, шину 18 сигнала "Пуск".

Блок 9 управления и регистрации содержит триггер 19, одновибратор

20, триггер 21, элемент И 22, триггеры 23 и 24, элемент И 25, счетчик 26, элемент И 27, генератор 28 тактовых импульсов, элемент И 29, счетчик 30, элемент И 31, счетчик

32, одновибратор 33. Блок 8 коррекции с цифровым интегратором (фиг.7) содержит компаратор 34, реверсивный счетчик 35, цифроаналоговый преобразователь 36, резисторы 37 и 38 и транзистор 39, Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсатор 14 разряжен до нулевого уровня с помощью замкнутого ключа 15. Источники 2 и 3 тока отключены от конденсатора 14. На.входную шину 1 подано преобразуемое напряжение 0»., при этом на выходах компараторов 6. и 7. — логический нуль. . В блоке 9 управления и регистрации (фиг.5) в исходном состоянии триггер 21 находится в единичном состоянии, триггер 23 — в нулевом состоянии. По сигналу "Пуск" опрокидывается триггер 19 и ключ 15 размыкается, одновременно запускается одновибратор 20, по фронту которого обнуляются счетчики 26, 30 и 32.

После окончания импульса одновибратора по первому импульсу от генератора 28 триггер 21 устанавливается в нулевое состояние. Задержка на одновнбраторе 20 необходима для надежного размыкання ключа 15, так как время его выключения может быть больше времени включения управляемого источника 2 тока, который включается триггером 21. С момента включения источника 2 тока, напряжение на конденсаторе 14 начинает линейно во времени увеличиваться (фиг.2), причем за время Т вЂ” период повторения импульсов генератора 28, напря5 жение на конденсаторе изменяется на Н=а, h, где h — квант.АЦП, а целое число, пропорцион .льное основанию системы счисления цифрового эквивалента (для двоичной системы а -пропорционально степени 2) .„Длн получения наибольшего быстродействия число д, должно быть равно !

01= макс ) (1) где Има„- количество квантов

АЦП, Одновременно с зарядом конденсатора 14 импульсы от генератора 28 через элемент И 29 подсчитываются счетчиком 30.

Когда напряжение на конденсаторе

14

4 превысит U<, то на выходе первого компаратора появится логическая

11 II

l,îäíàêî конденсатор 14 продолжает

25 заряжаться, По импульсу от генератора

28 триггер 21 устанавливается в единичное состояние и управляемый источ ник 2 тока отключается от конденсатора 14, а импульсы от генератора 28

ЗО прекращают поступать в счетчик 30. В счетчике 30 будет зарегистрировано число, равное (2)

35 где ) — ближайшее меньшее целое число, Число И определяет значение стар-, ших разрядов цифрового эквивалента

40,0>. Одновременно триггер 24 устанавливается в нулевое состояние и им-. пульсы от генератора 28 через элемент И 25 начинают поступать в счет- . чик 26. Во время работы счетчика 26

45 напряжение на конденсаторе 14 не изменяется (фиг.2). Объем счетчика 26 равен числу m, поэтому через m импульсов триггер 24 устанавливается в единичное состояние и . счетчик 26

5О останавливает свою работу. Следующим импульсом генератора 28 триггер 23 устанавливается в единичное состояние, так как íà его D-вход через элемент И 22 подана логическая "1", 55 и IIpH .этом включается управляемый источник 3 тока, величина которого равна 3z = 3 l а, . Напряжение на конденсаторе 14 во время заряда от

1200421 источника 3 тока изменяется на величину h за время Т . Одновременно с включением источника 3 тока от триггера 23 подается разрешение на второй компаратор 7 и на его выходе появляется логическая "1". Импульсы от генератора 28 через элемент И 31 подсчитываются счетчиком 32. Так как на втором входе второго компаратора

7 установлено напряжение, равное

11х (3) где 3 - величина тока управляемого источника 4 тока, причем J R=H, то при превышении 0 этого напряжения второй компаратор устанавливается в нулевое состояние И подсчет импульсов счетчиком 32 прекращается.

В счетчике будет записано значение младших разрядов цифрового эквивалента, Действительно, изменение напряжения на конденсаторе 14 равно

Ц + Н вЂ” (И+1)Н = Ук — Мн. х

Число, записанное в счетчике 32, равно 25 (4) т,е. соответствует значению младших разрядов цифрового эквивалента. ЗО

По спаду импульса от второго компаратора 7 запускается одновибратор

33, импульс от которого устанавливает в исходное состояние триггер

19, после чего ключ 15 замыкается, З5 конденсатор 14 разряжается, тпнггеры

21 и 23 устанавливаются в исходное состояние, управляемые источники 2 и 3 тока отключаются от конденсатора

14. Устройство возвращается в исход- 40 ное состояние, а в счетчиках 30 и 32 хранится результат преобразования.

Максимальное время преобразования не превышает для наихудшего случая величины 2 (а1-1) -Т0 . За счет за- 45 держки включения и выключения первого управляемого источника 2 тока напряжение на конденсаторе 14 в мо- . мент отключения источника 2 тока не будет равно целому числу квантов 50

Н, что приводит к большой погрешности преобразователя. Действительно, например, заряд конденсатора 14 осу ществляется за время, большее, чем целое число Т на величину г. Это 55 эквивалентно превышению напряжения на величину < Н с 31/С, а погрешность преобразования равна

3 = — — — — 100, (, er

CV (5) Для устранения этой погрешности напряжение сравнения на втором входе второго компаратора 7 устанавливается íà d Н больше, чем это определено выражением 3 (фиг.2) тогда на втором этапе .преобразования ошибки не возникает. Однако при изменении температуры или от старения элементов или из-за неточной настройки эквивалентная величина изменяется, что влечет за собой дополнительные погрешности.

Для устранения этих дополнительных погрешностей в АЦП служит блок

8 коррекции, который изменяет величину тока J управляемого источника

4 тока таким образом,. чтобы при изменении напряжения на конденсаторе

14 на величину ао по окончании работы источника 2 тока за счет изменения г, на такую же величину изменилось бы пороговое напряжение второго компаратора 7 путем изменения тока 3 .

Коррекция осуществляется одновременно с преобразованием сигнала, но не для каждой выборки входного сигнала, а только для выборок., коды старших разрядов которых совпадают с кодом уставки. Если распределение сигналов равномерное, то значение кода уставки произвольное. Частота коррекции равна (6) где f - частота выборок сигнала.

Выб

Если распределение входного сигнала отличается от равномерного,то в этом случае код уставки следует выбирать близко к медианному значению распределения сигнала, В этом случае частота коррекции будет больше, чем определенная из выражения 6, Рассмотрим случай коррекции погрешности, когда на вход поступает сигнал Uy, старшие разряды цифрового эквивалента которого совпадают с кодом уставки шины I

Блок корреции работает с цифровым интегратором (фиг.7) следующим образом.

Как и в предыдущем случае, во время коррекции компаратор 34 сравнивает два напряжения (М+1)Н +

+ЬН„и Едд +Ээй (2+1)H + йН. Например, если ьН, > аН, то это озна1200421

0g чает,что необходимо увеличить ток т.е, в реверсивном счетчике отнимается один импульс, сформированный элементом И 28 (выход ж)блока 9 управления и регистрации) (фиг.6), напряжение на выходе ПАП 36 уменьшается,а ток через транзистор 39 возрастает, что вызывает увеличение. тока 3 > как в транзисторе 39, так и в транзисторе третьего источника 4 тока, тем самым разность между A.Í» и Н уменьшается. На второй коррек- . ции эта разность еще уменьшится и т.д,Как и для блока коррекции с аналоговым интегрированием, эа один такт коррекции величйна приближения и Н» к аН не должна превышать

0,25 1, для того, чтобы не было сильного рыскания напряжения коррек10 ции.

l200421

Фиг.5

1200421

r O

Пуск Н"

Фиа б юг.7

Составитель А,Кузнецов

Редактор В,Иванова Техред O.Ващишина Корректор Л.Тяско

Заказ 7878/о1 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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