Адаптивный аналого-цифровой преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике. Повышение точности аналого-цифрового преобразователя достигается за счет линеаризации соответствующего участка выходной характеристики рабочего фазовращателя. При этом происходит промежуточное преобразование входных сигналов в фазовый сдвиг опорного напряжения с последующим кодированием полученного фазового сдвига. Линеаризация осуществляется за счет того, что в течение второго такта работы преобразователя частота управляемого генератора 13 импульсов изменяется в соответствии с изменением крутизны того участка выходной характеристики рабочего фазовращателя 6, в пределах которого находится значение нескомпенсированного фазового сдвига, подлежащего кодированию в течение второго такта. Для этого в преобразователь введены блок 20 управляющих напряжений, коммутатор 21, третий опорный фазовращатель 22 и третий опорный компаратор 23. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГВЬЛИК

А2.80„„15 1 (51)4 Н 03 К 1/64, 1/50

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

APN fHHT СССР

1 (61) 1311028 (21) 4400176/24-24 (22) 29.03.88 (46) 23.12.89. Бюл. И 47 (71) Институт кибернетики им. В.М.Глушкова (72) В.П.Стокай, Л.И.Зелинский и В.И.Заболотный (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

0 1311028, кл. Н 03 М 1/64, 1986 . (54) А71АПТИВН 1й АНАЛОГО-ПИЕРОВОй

ОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике. Повааиение точности аналого-цифрового преобразователя достигается за счет линеаризации соответствующего участка выходной характеристики рабочего

2 фазовращателя. При этом происходит промежуточное преобразование входных сигналов в фазовый сдвиг опорного напряжения с последующим кодированием полученного фазового сдвига. Линеариэация осуществляется эа счет того, что в течение второго такта работы преобразователя, частота управляемого генератора 13 импульсов изменяется в соответствии с изменением крутизны того участка выходной характеристики рабочего фаэовращате" ля 6, в пределах которого находится значение нескомпенсированного фазового сдвига, подлежащего кодированию в течение второго такта. Для этого в преобразователь введены блок 20 управляющих напряжений, коммутатор

21, третий опорный фаэовращатель 22 и третий опорный компаратор 23. 2 ил.

1531222

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике, преимущественно может быть ис- . пользовано в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и является усовершенствованием изобретения по авт. св. !!» 1311028.

Целью изобретения является повьг шение точности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2(а, б) — диаграммы, поясняющие формирование младших разрядов кода.

Устройство содержит генератор 1 опорного напряжения, опорные фазовращатели 2 и 3, фазовращатель 4 смещения, блок 5 компенсирующего тока, рабочий фазовращатель 6, блок 7 фазовых компараторов, шифратор 8, счетчик 9, опорные компараторы 10 и 11 логический блок 12, управляемый генератор 13» счетчик 14, блок 15 компенсирующего тока, блок 16 адаптации, блок 17 управления, резистор 18, нормально замкнутые контакты 19, блок

20 управляющих напряжений, коммутатор 21, опорный фазовращатель 22, опорный компаратор 23.

Формирование и-разрядного преобразуемого сигнала происходит за два такта: в течение первого такта при помощи генератора 1, фазовращателей

4 и 6, блока 7 фазовых комнараторов и шифратора 8 происходит формирование ш старших разрядов. Затеи начинается компенсация, в процессе которой из фазового сдвига, пропорционально, го входному сигналу, вычитается его часть, пропорциональная коду сформированных старших разрядов.

По окончании компенсации выходное напряжение рабочего фаэовращателя 6 имеет некоторый остаточный (нескомпенсированный) фазовый сдвиг ц которьй кодируется в течение второго такта работы.

Пля пояснения алгоритма формирования n — ю младших разрядов кода напомним, что диапазон изменения преобразуемых сигналов разбит на три поддиапазона А, В и С (фиг. 2), и формирование младших разрядов происходит по-разному в зависимости от

t того, в каком из поддиапазонов находится входной сигнал.

Если значение входного сигнала I „ находится в поддиапаэоне А (О ь I „ (1„„/2), то младшие разряды формируются путем подсчета импульсов генератора 13 счетчиком 14 в течение интервала времени (t <"Д !» где

ot — момент опрокидывания опорного компаратора 10 из "0" в "1"; — момент окончания компенсации.

Если значение входного сигнала

Е„ находится в поддиапазоне В (I„ /2

4 I„< I„+ I„ /2")» то младшие разряды формируются путем подсчета импульсов генератора 13 в счетчике

14 в течение интервала времени (t

1О н»

t «3, где t „- момент начала компенсации, t " — момент опрокидывания фазового компенсатора 10 из

»»ю»

Если значение входного сигнала

1„ находится в поддиапазоне С (I /2+

Ф

Ке

+ Т„ /2 4 1„<Т„), то младшие разряды™формируются путем подсчета импульсов генератора 13 счетчиком 14

s течение интервала времени (t

to к» где t „ — момент окончания компенсации» t p момент опроки дывания фазового компаратора 10 из

II 1 »I »» I»

В реальных условиях на работу . устройства во здейс твуют де стабилизи-, р ующие факторы (изме не ния окружающей температуры, питающих напряжений и т . д . ), вследствие чего возможно смещение уровней срабатывания фазовых компараторов в блоке 7 как в сторону увеличения, та к и в сторону умень35 щения относительно их номинальных значений. Соответственно код старших разрядов получают с недостатком (т.е. меньше его действительного значения) или с избытком (т.е. больше его действительного значения). Однако благодаря наличию фазовращателя 4 в составе устройства код стараых разрядов может быть получен либо правильным, либо с недостатком (но ни45 когда с избытком).

Если код старших разрядов получен с недостатком, то конечное значение компенсирующего тока уменьшится (no сравнению со случаем, когда код стар50 ших разрядов правильный), при этом имеет место недокомпенсация, иэ-за чего остаточный фазовый сдвиг, подлежащий кодированию в течение второго такта работы, превышает днскрет55 ность устройства на первом такте его работы.

Поскольку формирование младших разрядов осуществляется путем заполие5 15 ния эквивалентного временного интервала импульсами стабильной частоты (т.е. время-импульсным способом). возникает погрешность преобразования обусловленная нелинейностью выходной характеристики рабочего фаэовращателя 6.

Как ухе упоминалось, в случае воздействия дестабилизирующих факторов возможен случай, когда значение остаточного фазового сдвига, подлежащего кодированию время-импульсным способом в течение второго такта работы прототипа, превьппает дискретность прототипа на первом такте его работы. Поскольку выходная характеристика рабочего фазовращателя 6 имеет ярко выраженный нелинейный характер (фиг, 2), протяженность (а значит, и нелинейность) участка выходной характеристики, соответствующая значению р, в этом случае (т.е. при получении кода старпп х разрядов с недостатком), увеличивается, что автоматически приводит к увеличению погрешности устройства в целом. Поясним сказанное с помощью графика, приведенного на фиг. 2.

При отсутствии дестабилизирующих факторов значение эквивалентного тока I I „, — I „, (где I значение преобразуемого сигнала; I „,— значение соответствующего ему тока компенсации), воздействующего на вход устройства, всегда находится 33 интервале EI< /2 + I„ /2 + I„å/2 3, Соответственно, значение остаточного фазового сдвига,, всегда находится в интервале C q ц 1, что соответствует участку выходной характеристики рабочего фазовращателя 6 между точками 1 и 2. При этом погрешность 3, от нелинейности этого участка является одной иэ доминирующих составляющих общей погрешности для этого случая.

Воздействие дестабилизирующих факторов приводит к тому, что код в старших разрядов получается с недостатком, вследствие чего значение эквивалентного тока I I „, -1 воздействующего на вход прототипа, сказывается эа пределами интервала (?„„/2, I„ + 1„ /2" ; теперь эначеййе I находится в интервале (1„ /2, Т«/2 + 2?„ /2 ). Соответственно, значение остаточного фазового сдвига М„ находится в более ши31222 6 роком интервале (Ч,с/ ), который соответствует участку выходной характеристики рабочего фазовращателя

6 мелду точками 1 и 3 (фиг. 2). При этом погрешность / от нелинейности этого участка является одной иэ доминирующих составляющих общей погрешности для этого случая.

1 Устройство работает следующим образом.

При накатии кнопки "Пуск" (фиг.2) происходит запуск блока 17 управления — на его выходах появляются управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование блоков предлагаемого устройства по заданному алгоритму.

Фазовый сдвиг, выходного напli ряжения рабочего фазовращателя 6, 2О пропорциональный величине входного (преобразуемого) сигнала ?и,, поступает на первый информационный вход блока 7 фазовых компараторов. Блок 7 содерзит в своем составе 2 — 1 фазоItl вых компараторов (компараторов напряжений), при помощи которых диапазон изменения преобразуемых сигналов

О... Т„ разделяется на 2 зоны одинаковой величины, где m — количество старших двоичных разрядов, определяемых на первом такте работы устройства. В зависимости от величины . . в блоке 7 срабатывает соответстХъ вующее количество фа эовых компараторов, в результате чего на выходе блока 7 получают уни.арный код, при помощи шифратора 8 он преобразуется в двоичный код, после чего заносится в счетчик 9. Так происходит формиро40 ванне старших разрядов выходного кода.

Затем по сигналу с выхода блока

17 управления начинается компенсация. Если I „; находится в зоне А, например, соответствует точке 1 на

45 фиг. 2б, то вкпючается блок 15, ток которого складывается с 1 „;, B результате чего эквивалентный ток I ;i воздействующий на вход устройства, увеличивается. Как только I ; достигает значения, равного I„ /2, происходит перебрасывание иэ "0" в "1" опорного компаратора 10, в результате чего на первом выходе логического блока 12 появляются сигнал с уровнем

55 логический "0" ° запускающии управляемый генератор 13, импульсы которого начинают подсчитываться счетчиком

14. При этом ток I „;, генерируемый

1531222 разрядов. блоком 15, а значит, и величина I, продолжают нарастать. В тот момент, когда величина I; достигает необходимого для компенсации значения, блок 16 адаптации выдает сигнал окон- 5 чания компенсации (на его первом выI ходе), который, поступая на второй вход логического блока 12, вызывает появление на его первом выходе сиг10 ,нала, выключающего генератор 13, при этом поступление его импульсов на счетчик 14 прекращается. Так происходит формирование младших разрядов выходного кода.

Если величина I, находится в зоне С (например, соответствует точке

2 на фиг. 2б), включается блок 5, ток которого вычитается иэ I „,, в результате чего ток I, уменьшается °

Как только на втором выходе блока 16

20 ! адаптации появится сигнал об окончании компенсации, на первом выходе логического блока 12 появляется сигнал с уровнем логического "0", который включает управляемый генератор

l3, импульсы которого поступают на счетчик 14. При этом ток, генерируелалй блоком 5, продолжает увеличиваться, а величина I ; — уменьшаться. В тот момент, когда I,. уменьшится настолько, что станет равной I„ /2, опорный компаратор 10 перебросится иэ "1" s "0", в результате чего на первом выходе логического блока 12 появится сигнал с уровнем логической 35

"1", который запрещает поступление на счетчик 14 импульсо управляемого . генератора 13. Так пр< исходит формирочапие младших разрядов выходного кода в этом случае.

Если же величина I находится в

xl зоне В (например, соответствует точке 3 на фиг. 2б), то включается блок

5, ток которого вычитается из I „; в результате чего I уменьшается. В момент включения блока 5 на первом выходе логического блока 12 возникает сигнал с уровнем логического "0", запускаыщий управляемый генератор

13, импульсы которого подсчитываются 50 счетчиком 14. В момент, когда I ,уменьшится настолько, что станет рав1 ным I> /2, опорный компаратор 10 опрокинется из "1" в "0", в результате

;чего на первом выходе логичес кого 55 блока 12 появится сигнал с уровнем логической "1", в результате чего подсчет импульсов управляемого генератора 13 в счетчике 14 прекращается.

Так происходит формирование младших

Сказанное справедливо для случая, когда уровни срабатывания фазовых компараторов в блоке 7 не смещены относительно своих номинальных значений. В реальных условиях функционирования устройства имеет место смещенке уровней срабатывания фазовых компараторов в блоке 7, в результате независимо от того, к какому поддиапазону принадлежит входной сигнал, значение эквивалентного тока I в момент окончания компенсации оказывается вне интервала (I„ /2, Т„ /2 +

+ I„ /2 Э, теперь оно находится в пределах широкого интервала (Е„ /2, ?„ /2 + 2I /2 1 (соответствует точке А ; или А на фиг. 2), а соответствующий фазовый сдвиг также находится в более широком интервале (и,, ч,)

Поскольку в том и другом случаях кодированию в течение второго такта подлежит значение I з — I „ /2 (которое соответствует уже не участку 1

2 выходной характеристики рабочего фазовращателя 6, а более протяженному участку 1 — А (или 1 — А ), где точка А" (А " ) соответствует зна 2 чению эквивалентного тока I>. то при этом возникает дополнительная погрешность преобразования, обусловленная кривизной (неодинаковой крутизной) участка 1 " 3 выходной характеристики рабочего фазовращателя 6. Для уменьшения погрешности необходимо участок 1 — 3 разделить на несколько участков, крутизна в пределах которых постоянна, и соответствующим образом изменять частоту генератора 13 при переходе от одного участка к друго-. му. В устройстве зто реализовано следующим образом. Участок 1 - 3 выходной характеристики (фиг. 2) разделен на два участка: 1 - К и К вЂ” 3 (К - значение границы изменения крутизна выходной характеристики в пределах участка 1 — 3).

При помощи опорного компаратора

23 настроенного на значение, соответствующее точке К, обеспечивается определение принадлежности значения

I> к одному иэ двух упомянутых участков: единичное состояние компаратора

23 указывает на принадлежность I> к участку К вЂ” 3, в то время как ну1531222!

Формула и э о б р е т е н и я

Адаптивный аналого-цифровой преобразователь но авт. св. Р 1311028, отличающийся тем, что, с

1 У

Уфф

Ч

4 4ю

t Ге

Фмв

Дв > ®р 7ду з « Ф ц, =фи ь4Я

Фю.

Составитель И. Романова

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Ципле

Редактор Н.Лазаренко

Заказ 7966/56 Жвак 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 левое состояние опорного компаратора

23 указывает на принадлежность I к участку 1 — К. Автоматическая перестройка управляемого генератора 13 с одной частоты на другую наоборот осу- 5 ществляется следующим образом: в зависимости от состояния опорного компаратора 23 на выход коммутатора 21 (а значит, и на соответствующий управляющий вход управляемого генератора

13) поступает требуемое управляющее напряжение с одного из двух выходов блока 20. целью повышения точности, введены блок управляющих напряжений, коммутатор, третий опорный фазовращатель и третий опорный компаратор, первый вход которого подключен к выходу рабочего фазовращателя, второй вход через третий опорный фазовращатель подключен к выходу генератора опорного напрякения, а прямой и инверсный выходы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора, первый н второй информационные входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока управляющих напряжений, а выход соединен с дополнительным входом управляемого генератора импульсов.