RU2755017C1 - Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof - Google Patents
Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755017C1 RU2755017C1 RU2020131431A RU2020131431A RU2755017C1 RU 2755017 C1 RU2755017 C1 RU 2755017C1 RU 2020131431 A RU2020131431 A RU 2020131431A RU 2020131431 A RU2020131431 A RU 2020131431A RU 2755017 C1 RU2755017 C1 RU 2755017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pnc
- calibration
- zero offset
- amplifier
- input
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/10—Calibration or testing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки сигналов и преобразования аналоговой информации в цифровую.The invention relates to microelectronics and can be used in signal processing systems and converting analog information into digital.
Известны схемы преобразователей напряжения в частоту (ПНЧ) на основе интеграторов напряжения. Так схема по патенту РФ [1] содержит интегратор, переключатель, компаратор, источник опорного напряжения и формирователь импульсов возврата. Преимуществом этой схемы является равномерность следования выходных импульсов, а недостатком является однополярность и ограниченная погрешностью составных частей точность преобразования.Known circuits of voltage-to-frequency converters (VFC) based on voltage integrators. So the circuit according to the RF patent [1] contains an integrator, a switch, a comparator, a reference voltage source and a return pulse shaper. The advantage of this scheme is the uniformity of the output pulses, and the disadvantage is the unipolarity and the accuracy of the conversion, limited by the error of the components.
Наиболее близким к заявляемому является ПНЧ 1316ПП1У [2]. Его структурная схема представлена на Фиг. 1. ПНЧ содержит интегратор 1 на основе чоппер стабилизированного операционного усилителя 2 с заземленным неинвертирующим входом, конденсатора интегрирования 3 и входного резистора 4, два резистора возврата 5 и 6, подключенные к источникам положительного 7 и отрицательного 8 опорного напряжения, два ключа возврата 9 и 10, два компаратора 11 и 12. Отрицательное опорное напряжение REFB формируется из положительного опорного напряжения REFT с помощью инвертирующего усилителя 13. Блок логики 14 по сигналам компараторов формирует выходные сигналы FT (15) и FB (16) и сигналы управления ключами возврата 17, а также тактовый сигнал чоппера 18. Такая структура обусловливает важное преимущество ПНЧ - его биполярную передаточную характеристику.Closest to the claimed is PNCh 1316PP1U [2]. Its structural diagram is shown in Fig. 1. VFC contains an
ПНЧ 1316ПП1У работает следующим образом. Входное напряжение поступает на вход интегратора 1. При постоянном входном напряжении на выходе интегратора формируется линейно изменяющееся напряжение: возрастающее при отрицательном входном напряжении и убывающее при положительном. При достижении выходным напряжением интегратора уровня положительного или отрицательного опорного напряжения соответствующий компаратор 11 или 12 переключается и запускает формирование в блоке логики 14 одного из двух импульсов возврата точной длительности, который, управляя соответствующим ключом возврата 9 или 10, подает в точку суммирования ток от соответствующего источника опорного напряжения. Таким образом выходное напряжение интегратора возвращается в зону между положительным и отрицательным опорным напряжением и интегрирование продолжается. Частота процесса интегрирование - возврат пропорциональна входному напряжению. Длительность импульсов на выходе компараторов также зависит от входного напряжения, блок логики 14 формирует импульсы постоянной длительности и синхронизированные с тактовым сигналом: на выходе FT (15) при положительном входном напряжении и на выходе FB (16) - при отрицательном.PNCh 1316PP1U works as follows. The input voltage is fed to the input of the
Частота импульсов определяется формулой:The pulse frequency is determined by the formula:
• Fout - выходная частота• F out - output frequency
• Vin - входное напряжение• V in - input voltage
• Vref - опорное напряжение• V ref - reference voltage
• Rrev - сопротивление резистора возврата• R rev - resistance of the return resistor
• Rin - сопротивление входного резистора• R in - input resistor resistance
• Trev - длительность импульса возврата• T rev - return pulse duration
Важно, что выходная частота определяется отношением напряжений и сопротивлений, а также длительностью импульса возврата. Выходная частота не зависит от емкости конденсатора интегрирования и смещения нуля компаратора. Современные схемотехнические решения позволяют формировать точные опорные напряжения, точные отношения резисторов и точные интервалы времени.It is important that the output frequency is determined by the ratio of voltages and resistances, as well as the duration of the return pulse. The output frequency is independent of the capacitance of the integration capacitor and the offset of the comparator. Modern circuitry solutions allow for accurate reference voltages, accurate resistor ratios, and accurate time intervals.
На Фиг. 2 приведена временная диаграмма работы ПНЧ. В начале диаграммы в области О входное напряжение Vin=0B, выход интегратора находится в исходном состоянии и не изменяется, импульсы на выходах FT, FB отсутствуют. В области 1 входное напряжение Vin=+0.2B, на выходе интегратора убывающее напряжение. При достижении порога компаратора формируются импульсы возврата интегратора в зону между пороговыми уровнями и импульсы на выходе FT. В области 2 входное напряжение Vin=-2.0B, на выходе интегратора возрастающее с большей крутизной напряжение. Теперь импульсы с большей частотой формируются на выходе FB. В области 3 входное напряжение Vin=+3.2B, на выходе интегратора убывающее с еще большей крутизной напряжение. Импульсы с еще большей частотой на выходе FT.FIG. 2 shows the timing diagram of the VFC operation. At the beginning of the diagram, in the region O, the input voltage Vin = 0B, the integrator output is in its initial state and does not change, there are no pulses at the FT, FB outputs. In
Основным источником ошибок рассматриваемого ПНЧ является смещение нуля операционного усилителя интегратора. Чоппер стабилизация усилителя позволяет в первом приближении решить эту проблему. Формирование отрицательного опорного напряжения путем инверсии положительного также позволяет в первом приближении уйти от несовпадения двух разных опорных источников. Поэтому другим важным преимуществом ПНЧ является высокая точность преобразования.The main source of errors of the considered PNF is the zero offset of the integrator's operational amplifier. Chopper stabilization of the amplifier allows a first approximation to solve this problem. The formation of a negative reference voltage by inverting a positive one also allows, in the first approximation, to avoid the mismatch of two different reference sources. Therefore, another important advantage of the VFC is its high conversion accuracy.
Вместе с тем ПНЧ обладает рядом недостатков. Ряд ошибок второго порядка ограничивают возможность дальнейшего повышения точности преобразования. К ним относятся:At the same time, the PNC has a number of disadvantages. A number of second-order errors limit the possibility of further improving the conversion accuracy. These include:
При больших входных напряжениях (высоких частотах на выходе) чоппер стабилизация модулирует выходную частоту, так что говорить о высокой точности можно только в смысле усреднения по большому числу периодов чоппера.At high input voltages (high output frequencies), the chopper stabilization modulates the output frequency, so we can speak of high accuracy only in the sense of averaging over a large number of chopper periods.
Другим источником ошибок является не точное равенство абсолютных величин положительного и отрицательного опорного напряжения. Отрицательное напряжение формируется из положительного инвертирующим усилителем. Его смещение нуля и рассогласование резисторов обратной связи вызывают перекос опорных напряжений. Как следствие ПНЧ имеет отличающиеся коэффициенты преобразования для положительного и отрицательного входного напряжения, которые специфицируются независимо друг от друга. Рассогласование резисторов возврата вносят дополнительный вклад в этот перекос. Иными словами, биполярная передаточная характеристика, будучи высоко линейной имеет незначительный излом в нуле.Another source of error is the inaccurate equality of the absolute values of the positive and negative reference voltages. The negative voltage is generated from the positive by the inverting amplifier. Its zero offset and feedback resistor mismatch cause the reference voltages to skew. As a consequence, the VFC has different conversion factors for the positive and negative input voltages, which are specified independently of each other. Return resistor mismatch contributes further to this misalignment. In other words, the bipolar transfer characteristic, being highly linear, has a slight kink at zero.
Еще одним источником ошибок является асимметрия выбросов заряда ключами чоппера, порождающая динамическую ошибку.Another source of errors is the asymmetry of charge surges by the chopper keys, which generates a dynamic error.
Известно техническое решение по патенту РФ [3] «КМОП усилитель с чоппер стабилизацией и способ калибровки». На Фиг. 3 приведена его схема. Усилитель имеет один входной и два выходных кросс ключа, выполняющих одновременное переключение дифференциальных входов и выходов первого каскада. Пара дифференциальных токовых входов Isp/Isn вводят калибрующий ток в цепь первого каскада, вносящего доминирующий вклад в смещение нуля усилителя, причем независимо от состояния чоппера. Пара дифференциальных токовых входов Idp/Idn вводят калибрующий ток в цепь второго каскада после выходных кросс ключей. Первая пара используется для калибровки классического смещения нуля усилителя в статике, при остановленном чоппере. Вторая пара используется для калибровки в динамике при работающем чоппере и фактически калибрует динамическую ошибку асимметричного выброса заряда ключами чоппера. Причем вторая динамическая калибровка выполняется после применения статической, когда статическое смещение уже близко к нулю. Источником калибрующего воздействия могут быть в частности дифференциальные токовые ЦАПы.Known technical solution for the patent of the Russian Federation [3] "CMOS amplifier with chopper stabilization and method of calibration." FIG. 3 shows its diagram. The amplifier has one input and two output cross switches, performing simultaneous switching of differential inputs and outputs of the first stage. The Isp / Isn pair of differential current inputs inject a calibrating current into the first stage, which dominates the amplifier's zero offset, regardless of the chopper state. A pair of differential current inputs Idp / Idn introduce a calibration current into the second stage circuit after the output cross switches. The first pair is used to calibrate the classic static amplifier zero offset with the chopper stopped. The second pair is used for dynamic calibration when the chopper is running and actually calibrates the dynamic error of asymmetric charge ejection by the chopper keys. Moreover, the second dynamic calibration is performed after applying the static one, when the static displacement is already close to zero. Differential current DACs, in particular, can be a source of the calibrating influence.
Целью настоящего изобретения является повышение точности ПНЧ за счет калибровки ошибок ПНЧ второго порядка.An object of the present invention is to improve the accuracy of the VLF by calibrating the second order VLF errors.
Поставленная цель достигается тем, что в ПНЧ, содержащем интегратор, состоящий из чоппер - стабилизированного усилителя с заземленным неинвертирующим входом, выход которого является выходом интегратора, конденсатора, включенного между инвертирующим входом и выходом усилителя, входного резистора, включенного между инвертирующим входом усилителя и входом ПНЧ, два резистора возврата интегратора, подключенные первыми выводами к источникам положительного и отрицательного опорных напряжений, а вторыми выводами - через два ключа возврата интегратора к инвертирующему входу усилителя, два компаратора, сравнивающие выходное напряжение интегратора с положительным и отрицательным опорным напряжением, блок логики, подключенный к выходам компараторов и формирующий сигналы положительного и отрицательного частотных выходов ПНЧ, сигналы управления ключами возврата и тактовый сигнал чоппер - стабилизации, усилитель имеет входы статической калибровки смещения нуля с выключенной чоппер - стабилизацией и динамической калибровки смещения нуля с включенной чоппер - стабилизацией, интегратор содержит переключатель, соединяющий инвертирующий вход усилителя с входным резистором или неинвертирующим входом или находящийся в разомкнутом состоянии и ключ обнуления, соединяющий инвертирующий вход с выходом усилителя, ПНЧ содержит два цифро-аналоговых преобразователя ЦАП1 и ЦАП2, выходы которых подключены к входам соответственно статической и динамической калибровки смещения нуля усилителя, блок логики содержит автомат калибровки и формирует сигналы управления переключателем, ключом обнуления, ЦАП1 и ЦАП2.This goal is achieved by the fact that in a VFC containing an integrator consisting of a chopper - a stabilized amplifier with a grounded non-inverting input, the output of which is the output of the integrator, a capacitor connected between the inverting input and the output of the amplifier, an input resistor connected between the inverting input of the amplifier and the input of the VFO , two return resistors of the integrator, connected by the first leads to the sources of positive and negative reference voltages, and the second leads through two return switches of the integrator to the inverting input of the amplifier, two comparators comparing the output voltage of the integrator with the positive and negative reference voltage, a logic block connected to outputs of the comparators and generating signals of the positive and negative frequency outputs of the VFO, control signals of the return keys and the clock signal of the chopper - stabilization, the amplifier has inputs for static calibration of the zero offset with the chopper off - stabilization, etc. dynamic zero offset calibration with chopper stabilization turned on, the integrator contains a switch that connects the inverting input of the amplifier with an input resistor or non-inverting input or is in an open state and a zero switch connecting the inverting input with the output of the amplifier, the PNC contains two digital-to-analog converters DAC1 and DAC2 , the outputs of which are connected to the inputs of the respectively static and dynamic calibration of the zero offset of the amplifier, the logic block contains a calibration automaton and generates control signals for the switch, zeroing key, DAC1 and DAC2.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что ПНЧ содержит преобразователь положительного опорного напряжения в отрицательное на основе инвертирующего усилителя, имеющего вход калибровки смещения нуля, ЦАП3, подключенный входом к блоку логики, а выходом - к входу калибровки смещения нуля источника отрицательного опорного напряжения, а блок логики формирует сигналы управления ЦАП3.In a particular case, the set goal is achieved by the fact that the PNC contains a converter of a positive reference voltage to a negative one based on an inverting amplifier having a zero offset calibration input, DAC3, connected by the input to the logic unit, and by the output to the zero offset calibration input of the negative reference voltage source, and the logic block generates control signals for DAC3.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что входы калибровки смещения нуля усилителей и выходы ЦАП - токовые.In a particular case, the set goal is achieved by the fact that the inputs of the calibration of the zero offset of the amplifiers and the outputs of the DAC are current.
В частном случае поставленная цель достигается тем, что ПНЧ содержит резистивные делители положительного и отрицательного опорного напряжения и ключи, подключающие опорные входы компараторов к номинальным или к уменьшенным резистивными делителями положительному и отрицательному опорным напряжениям.In a particular case, the goal is achieved by the fact that the PNC contains resistive dividers of positive and negative reference voltages and switches that connect the reference inputs of the comparators to the nominal or reduced resistive dividers of the positive and negative reference voltages.
Поставленная цель также достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором последовательно калибруют: статическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и выключенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП1 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, динамическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и включенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП2 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, отрицательное опорное напряжение при разомкнутом переключателе и двух включенных ключах возврата загрузкой в ЦАП3 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, при этом вычисление кодов ЦАПов, минимизирующих смещение нуля ПНЧ, проводят последовательным приближением, определяя направление изменения кодов на каждой итерации по сигналам компараторов.This goal is also achieved by using the VFC calibration method, in which they sequentially calibrate: the static zero offset of the VFC when the amplifier inputs are closed by the switch and the chopper is turned off - stabilization by loading into DAC1 a code that minimizes the VFC zero offset, the dynamic zero offset of the VFC when the amplifier inputs are closed and the chopper is turned on. - stabilization by loading into DAC2 a code that minimizes the PNC zero offset, a negative reference voltage with an open switch and two turned on return keys by loading into DAC3 a code that minimizes the PNC zero offset, while the DAC codes that minimize the PNC zero offset are calculated by sequential approximation, determining the direction changing the codes at each iteration according to the signals of the comparators.
В частном случае поставленная цель достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором последовательно калибруют: статическое смещение нуля ПНЧ при замкнутых переключателем входах усилителя и выключенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП1 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, динамическое смещение нуля ПНЧ при инвертирующем входе усилителя, соединенном переключателем с входным резистором, внешнем заземлении входа ПНЧ и включенной чоппер - стабилизации загрузкой в ЦАП2 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, отрицательное опорное напряжение при разомкнутом переключателе и двух включенных ключах возврата загрузкой в ЦАП3 кода, минимизирующего смещение нуля ПНЧ, при этом вычисление кодов ЦАПов, минимизирующих смещение нуля ПНЧ, проводят последовательным приближением, определяя направление изменения кодов на каждой итерации по сигналам компараторов.In a particular case, the set goal is achieved by using the VFC calibration method, in which the following are calibrated in series: the static zero offset of the VFC when the amplifier inputs are closed by the switch and the chopper is turned off; a switch with an input resistor, an external grounding of the PNC input and an enabled chopper - stabilization by loading a code into DAC2 that minimizes the PNC zero offset, negative reference voltage with an open switch and two enabled return keys by loading into DAC3 a code that minimizes the PNC zero offset, while calculating the DAC codes , minimizing the offset of the PNC zero, are carried out by successive approximation, determining the direction of changing the codes at each iteration according to the signals of the comparators.
В частном случае поставленная цель достигается применением способа калибровки ПНЧ, при котором опорные входы компараторов подключают к опорным источникам через резистивные делители, уменьшающие опорные напряжения компараторов.In a particular case, the goal is achieved by using the VFC calibration method, in which the reference inputs of the comparators are connected to the reference sources through resistive dividers that reduce the reference voltages of the comparators.
Сущность изобретения поясняется чертежами:The essence of the invention is illustrated by drawings:
На Фиг. 1 - блок схема ПНЧ 1316ПП1У;FIG. 1 - block diagram of PNCh 1316PP1U;
На Фиг. 2 - временные диаграммы работы ПНЧ 1316ПП1У;FIG. 2 - timing diagrams of PNCh 1316PP1U operation;
На Фиг. 3 - блок схема усилителя с чоппер стабилизацией и входами калибровки смещения нуля;FIG. 3 is a block diagram of an amplifier with chopper stabilization and zero offset calibration inputs;
На Фиг. 4 - блок схема заявляемого ПНЧ;FIG. 4 is a block diagram of the inventive PNCh;
На Фиг. 5 - блок схема заявляемого ПНЧ с резистивными делителями, уменьшающими опорные напряжения компараторов;FIG. 5 is a block diagram of the inventive PNC with resistive dividers that reduce the reference voltages of the comparators;
На Фиг. 6 - временные диаграммы калибровки.FIG. 6 - timing diagrams of calibration.
Заявляемый ПНЧ содержит следующие дополнительные по сравнению с прототипом блоки. В соответствии с п. 1 Формулы (Фиг. 4) на входы статической 19 и динамической 20 калибровки смещения нуля известного по [3] КМОП усилителя с чоппер стабилизацией подаются дифференциальные токовые сигналы соответственно статической и динамической калибровки. Переключатель 21 соединяет инвертирующий вход усилителя с входным резистором или неинвертирующим входом или находится в разомкнутом состоянии. Ключ обнуления интегратора 22 по сигналу от блока логики 14 обнуляет интегратор. ЦАП1 (23) статической калибровки смещения и ЦАП2 (24) динамической калибровки смещения формируют соответствующие дифференциальные токи калибровки. В соответствии с п. 2 Формулы ЦАП3 (25) формирует дифференциальный ток калибровки смещения нуля источника отрицательного опорного напряжения. Для ускорения процесса калибровки и увеличения точности целесообразно уменьшить пороговые уровни на опорных входах компараторов 11, 12. С этой целью и в соответствии с п. 4 Формулы в ПНЧ введены резистивные делители и переключатели 26, 27 пороговых уровней компараторов (Фиг. 5).The declared PNCh contains the following additional blocks in comparison with the prototype. In accordance with
Заявляемый ПНЧ работает следующим образом. В исходном состоянии до калибровки переключатель 21 соединяет инвертирующий вход усилителя с входным резистором, а ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3 формируют нулевые калибрующие токи. В этом состоянии работа заявляемого ПНЧ полностью совпадает с работой ПНЧ 1316ПП1У, описанной ранее.The claimed PNCh works as follows. In the initial state before calibration, the
Калибровку выполняют за 3 шага в соответствии с п. 5 Формулы. Процесс калибровки иллюстрируется временной диаграммой на Фиг. 6. Обозначение сигналов диаграммы:Calibration is performed in 3 steps in accordance with
• ct, cb - выходы компараторов 11 и 12 соответственно• ct, cb - outputs of
• sar - внутренний регистр последовательного приближения. Регистр содержит 1 в разряде кода, обрабатываемого на текущей итерации последовательного приближения. В начале каждого шага калибровки регистр содержит шестнадцатеричное 200 (единица в старшем разряде). На каждой следующей итерации единица смещается в сторону младших разрядов• sar - internal successive approximation register. The register contains 1 in the bit of the code processed at the current iteration of the successive approximation. At the beginning of each calibration step, the register contains a hexadecimal 200 (one in the most significant digit). At each next iteration, the unit is shifted towards the least significant bits
• dac_s, dac_d, dac_r - коды ЦАП1, ЦАП2, ЦАП3 соответственно. В начале каждого шага соответствующий ЦАП содержит шестнадцатеричное 200, (середина шкалы ЦАП). На каждой следующей итерации код ЦАПа уменьшается, при переключении компаратора 11 или увеличивается, при переключении компаратора 12. На первом шаге (1 на Фиг. 6) калибруют статическое смещение нуля ПНЧ. Для этого переключателем 21 замыкают входы усилителя и останавливают тактовый сигнал чоппера 18. Калибровку проводят методом последовательного приближения с числом итераций, равным разрядности ЦАП - в конкретной реализации - 10.• dac_s, dac_d, dac_r - codes of DAC1, DAC2, DAC3, respectively. At the beginning of each step, the corresponding DAC contains a hexadecimal 200, (the middle of the DAC scale). At each subsequent iteration, the DAC code decreases when switching the
Перед первой итерацией на выходе ЦАП1 устанавливают нулевой калибрующий сигнал, соответствующий середине биполярного диапазона калибровки. В начале каждой итерации обнуляют интегратор ключом обнуления 22 в течении времени, достаточного для разряда конденсатора интегрирования с приемлемой точностью. После обнуления интегратор начинает интегрировать статическое смещение нуля усилителя. Ввиду малости смещения на выходе интегратора будет медленно и линейно изменяющееся напряжение. При достижении выходным напряжением интегратора одного из двух, в зависимости от полярности смещения, опорных уровней соответствующий компаратор переключается, и происходит переход к следующей итерации. На этой итерации ЦАП1 изменяет калибрующий сигнал в направлении, уменьшающем абсолютную величину смещения, в зависимости от того, какой компаратор переключился. На каждой следующей итерации шаг изменения калибрующего сигнала уменьшают в два раза.Before the first iteration, a zero calibration signal is set at the DAC1 output, corresponding to the middle of the bipolar calibration range. At the beginning of each iteration, the integrator is zeroed with the zeroing
На любой итерации может возникнуть состояние, когда текущий калибрующий сигнал очень точно компенсирует смещение, выходное напряжение интегратора изменяется крайне медленно, и время достижения опорного уровня неприемлемо велико. Во избежание таких состояний вводят таймаут так что, если для очередной итерации за время таймаута ни один из компараторов не переключился, процедура последовательного приближения прерывается. Это значит, что калибровка достигла приемлемой точности. Увеличение времени таймаута увеличивает точность калибровки, но ценой времени. Независимо от того, завершилась калибровка на последней итерации или была прервана таймаутом, в конце калибровки калибрующий сигнал на выходе ЦАП1 компенсирует статическое смещение и остается в этом состоянии на время последующих шагов калибровки и дальнейшей нормальной работы.At any iteration, a condition may arise where the current calibration signal compensates for the offset very accurately, the integrator output voltage changes extremely slowly, and the time it takes to reach the reference level is unacceptably long. To avoid such conditions, a timeout is introduced so that if for the next iteration during the timeout none of the comparators has switched, the successive approximation procedure is interrupted. This means that the calibration has reached acceptable accuracy. Increasing the timeout time increases the accuracy of the calibration, but at the cost of time. Regardless of whether the calibration was completed at the last iteration or was interrupted by a timeout, at the end of the calibration the calibration signal at the output of DAC1 compensates for the static offset and remains in this state for the duration of subsequent calibration steps and further normal operation.
Калибровка статического смещения уменьшает модуляцию выходной частоты частотой чоппера при большом входном сигнале и высокой выходной частоте.Static Offset Calibration reduces the output frequency modulation by the chopper frequency when the input signal is large and the output frequency is high.
На втором шаге (2 на Фиг. 6) калибруют динамическое смещение нуля ПНЧ, вызванное асимметрией выброса заряда ключами чоппера. Входы усилителя по-прежнему замкнуты переключателем 21, но чоппер переводят в активное состояние, восстанавливая тактовый сигнал чоппера 18. Процедура последовательного приближения аналогична предыдущему шагу, но в отношении ЦАП2.At the second step (2 in Fig. 6), the dynamic zero offset of the VFC caused by the asymmetry of the charge ejection by the chopper keys is calibrated. The amplifier inputs are still closed by
На Фиг. 6 второй шаг прерывается досрочно по таймауту на 8-й итерации. На диаграмме интервал с 1900 по 3600 нс свернут и обозначен вертикальной линией чтобы освободить место для важных деталей диаграммы. Этот интервал относится к длинной итерации 8, превысившей таймаут. Код 244 этой итерации является окончательным кодом ЦАП2.FIG. 6, the second step is interrupted ahead of schedule by timeout at the 8th iteration. In the diagram, the interval from 1900 to 3600 ns is collapsed and marked with a vertical line to make room for important diagram details. This interval refers to a long iteration of 8 that has exceeded the timeout.
На третьем шаге (3 на Фиг. 6) калибруют отрицательное опорное напряжение, источником ошибок которого являются смещение нуля инвертирующего усилителя 13 и рассогласование резисторов его обратной связи. Для этого переключатель 21 переводят в разомкнутое состояние, замыкают оба ключа возврата 9 и 10, а чоппер оставляют в активном состоянии. В такой конфигурации интегратор 1 фактически интегрирует дисбаланс токов, текущих через резисторы возврата 5 и 6, и который необходимо свести к нулю. Выполнение этого требования означает, что рассогласование резисторов возврата 5 и 6 также откалибровано. Процедура последовательного приближения аналогична предыдущим шагам, но в отношении ЦАП3. Ресурсы для этого шага калибровки введены в п. 2 Формулы.At the third step (3 in Fig. 6), a negative reference voltage is calibrated, the source of errors of which is the offset of the zero of the inverting
Существуют эффективные схемотехнические решения для воздействия на смещение нуля усилителя с помощью калибрующих токов [3]. Поэтому ЦАПы калибровки имеют токовые выходы в соответствии с п. 3 Формулы. Однако это не исключает других схемотехнических решений калибровки смещения.There are effective circuitry solutions for influencing the zero offset of the amplifier using calibrating currents [3]. Therefore, the calibration DACs have current outputs in accordance with
Для ускорения и повышения точности калибровки целесообразно на время калибровки уменьшить абсолютную величину пороговых уровней компараторов в соответствии с п.п. 4 и 7 Формулы. В конкретной реализации пороговые уровни при нормальной работе составляют ±1250 мВ, а при калибровке ±10 мВ. Важно, что точная величина и симметрия этих уровней не имеют принципиального значения.To speed up and improve the accuracy of the calibration, it is advisable to reduce the absolute value of the threshold levels of the comparators during the calibration in accordance with p. 4 and 7 Formulas. In a specific implementation, the threshold levels during normal operation are ± 1250 mV, and when calibrated, ± 10 mV. It is important that the exact magnitude and symmetry of these levels are not of fundamental importance.
Описанный выше способ калибровки предполагает отличие условий работы входа ПНЧ при нормальной работе и при калибровке. Так при калибровке входы усилителя интегратора замкнуты переключателем и изолированы от входа ПНЧ. Паразитные воздействия (утечки, помехи, падение напряжения) со стороны входа ПНЧ не участвуют в процессе калибровки и не устраняются. Можно повысить точность калибровки, включая паразитные воздействия входа, при внешнем заземлении входа ПНЧ. Наиболее эффективно делать это при динамической калибровке, в соответствии с п. 6 Формулы. Это требует, однако, дополнительного ключа и соответствующего сигнала переключения вне ПНЧ.The above calibration method assumes that the operating conditions of the VFC input are different during normal operation and during calibration. So during calibration, the inputs of the integrator amplifier are closed by a switch and isolated from the VFC input. Parasitic influences (leakage, noise, voltage drop) from the VFC input side are not involved in the calibration process and are not eliminated. Calibration accuracy, including input spurious effects, can be improved by externally grounding the VFC input. The most effective way to do this is with dynamic calibration, in accordance with
Настоящее техническое решение позволило существенно улучшить основные параметры ПНЧ по сравнению с прототипом 1316ПП1У:This technical solution made it possible to significantly improve the main parameters of the PNC in comparison with the prototype 1316PP1U:
Отсутствие калибровки отрицательной опоры у прототипа не позволяет получить высокие значения параметров в биполярном диапазоне, поэтому такие параметры не приведены в спецификации прототипа. В таблице приведены только справочные значения параметров прототипа в биполярном диапазоне. Для заявляемого ПНЧ появляется возможность специфицировать высокие гарантированные значения параметров в биполярном диапазоне.The lack of calibration of the negative support in the prototype does not allow obtaining high values of the parameters in the bipolar range; therefore, such parameters are not given in the prototype specification. The table contains only reference values of the prototype parameters in the bipolar range. For the proposed PNC, it becomes possible to specify high guaranteed values of parameters in the bipolar range.
ЛитератураLiterature
1. патент РФ 2015132723.1.Russian patent 2015132723.
2. ПНЧ 1316ПП1У спецификация https://ic.rnilandr.ru/upload/iblock/5e5/5e54e76dd92dbb5d706d114ac696b52e.pdf2. PNCh 1316PP1U specification https://ic.rnilandr.ru/upload/iblock/5e5/5e54e76dd92dbb5d706d114ac696b52e.pdf
3. патент РФ 2019137419.3.Russian patent 2019137419.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131431A RU2755017C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131431A RU2755017C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2755017C1 true RU2755017C1 (en) | 2021-09-09 |
Family
ID=77670264
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020131431A RU2755017C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2755017C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819791C1 (en) * | 2022-12-28 | 2024-05-24 | Юрий Владимирович Агрич | Precision voltage-to-frequency converter |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2007029C1 (en) * | 1990-10-25 | 1994-01-30 | Научно-производственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом" | Analog-to-digital converter with intermediate conversion to frequency |
US7035123B2 (en) * | 2003-07-07 | 2006-04-25 | Vacon Oyj | Frequency converter and its control method |
RU2602351C1 (en) * | 2015-08-05 | 2016-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Voltage-to-pulse frequency converter |
-
2020
- 2020-09-24 RU RU2020131431A patent/RU2755017C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2007029C1 (en) * | 1990-10-25 | 1994-01-30 | Научно-производственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом" | Analog-to-digital converter with intermediate conversion to frequency |
US7035123B2 (en) * | 2003-07-07 | 2006-04-25 | Vacon Oyj | Frequency converter and its control method |
RU2602351C1 (en) * | 2015-08-05 | 2016-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Voltage-to-pulse frequency converter |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Микросхемы прецизионного интегрирующего преобразователя напряжения в частоту и параллельный двоичный код 1316ПП1АУ, К1316ПП1АУ, 1316ПП1БУ, К1316ПП1БУ, https://ic.milandr.ru/upload/iblock/5e5/5e54e76dd92dbb5d706d114ac696b52e.pdf, опубл. 16.09.2019 на 17 страницах, см. стр. 1-17. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2819791C1 (en) * | 2022-12-28 | 2024-05-24 | Юрий Владимирович Агрич | Precision voltage-to-frequency converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6369740B1 (en) | Programmable gain preamplifier coupled to an analog to digital converter | |
JP2690905B2 (en) | Series-parallel AD converter | |
US7907079B1 (en) | Delta sigma modulator for analog-to-digital converter | |
US4573005A (en) | Current source arrangement having a precision current-mirror circuit | |
US8604953B2 (en) | Calibrating timing, gain and bandwidth mismatch in interleaved ADCs | |
US6310518B1 (en) | Programmable gain preamplifier | |
CN112219097B (en) | Temperature sensor semiconductor device with paired diodes and feedback loop | |
EP4366029A2 (en) | Dc signal measurement | |
US4591828A (en) | Digital-to-analog converter | |
CN115425972B (en) | Error calibration circuit of high-speed cascade analog-to-digital converter circuit | |
US10630305B2 (en) | Data converters systematic error calibration using on chip generated precise reference signal | |
US11435404B2 (en) | Battery formation/testing | |
Bacrania | A 12-bit successive-approximation-type ADC with digital error correction | |
US9823285B2 (en) | Charge measurement | |
JPH01166620A (en) | Successive approximation analog-digital converter | |
CN106656181B (en) | Control method of digital-to-analog converter and digital-to-analog converter | |
WO2002023729A1 (en) | Method and apparatus for analog-to-digital conversion | |
RU2755017C1 (en) | Voltage-to-frequency converter and method for calibration thereof | |
US10666281B2 (en) | Method, device and system for analog-to-digital conversion | |
US7071856B2 (en) | Pipeline ADC calibrating method and apparatus thereof | |
US7042373B2 (en) | Error measuring method for digitally self-calibrating pipeline ADC and apparatus thereof | |
RU2819791C1 (en) | Precision voltage-to-frequency converter | |
JP7621059B2 (en) | Digital-to-analog converter, source measure unit and method for converting a digital signal to an analog signal | |
De Brito et al. | A Calibration Scheme for a Sigma-Delta Modulator Using Passive Integrators | |
US11515858B2 (en) | Time constant calibration circuit and method |