RU2760906C1

RU2760906C1 - Analogue-to-digital converter

Info

Publication number: RU2760906C1
Application number: RU2021119014A
Authority: RU
Inventors: Михаил Васильевич Сизов; Роман Александрович Федоров; Наталья Иосифовна Малашевич; Рафаэл Вагифович Магеррамов
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-12-01

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to analogue-to-digital measuring electronics, in particular, to analogue-to-digital converters with intermediate voltage conversion in pulse duration. The analogue-to-digital converter comprises a digital synchronous counter 1, a digital parallel register 2, a frequency-phase detector 3, a low-pass filter 4, a voltage-controlled generator 5, a digital frequency divider 6. The output of the digital parallel register 2 is made in the form of an output bus and constitutes the output of the apparatus. The low-pass filter 4 is based on an active integrating link with two resistive blocks.

EFFECT: increase in the accuracy of converting an analogue signal.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к аналого-цифровой измерительной электронике, в частности к аналого-цифровым преобразователям с промежуточным преобразованием напряжения в длительности импульсов.The invention relates to analog-to-digital measuring electronics, in particular to analog-to-digital converters with intermediate conversion of voltage into pulse duration.

Известен аналого-цифровой преобразователь, состоящий из последовательно соединенных источника аналогового сигнала, широтно-импульсного модулятора (ШИМ), первой схемы совпадений, первого цифрового счетчика импульсов, первого регистра сдвига, а также из генератора импульсов, подключенного ко второму входу модулятора ШИМ, мультивибратора, подключенного ко второму входу первой схемы совпадений, и генератора тактовых импульсов, подключенного ко второму входу первого регистра сдвига, первого дифференциатора, подключенного входом к выходу модулятора ШИМ, а выходом - к входу разрешения считывания регистра сдвига, и блока задержки, подключенного между выходом дифференциатора и входом сброса счетчика в нуль, отличающийся тем, что в него введены дополнительно вторая и третья схемы совпадений, два цифровых инвертора, делитель частоты в 2 раза, три дифференциатора, две схемы 2И-НЕ, цифровой последовательный сумматор, причем генератор импульсов подключен ко второму входу модулятора ШИМ через последовательно соединенные первый блок задержки по времени, делитель частоты в 2 раза, вторая схема совпадений подключена между первой схемой совпадений и первым цифровым счетчиком, а выход первого регистра сдвига подключен к одному входу цифрового сумматора непосредственно, ко второму входу которого подключен выход первой схемы совпадений через последовательно включенные третью схему совпадений, второй цифровой счетчик, второй регистр сдвига, к тактовому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход делителя частоты в 2 раза подключен непосредственно ко второму входу второй схемы совпадений и через первый цифровой инвертор ко второму входу третьей схемы совпадений; выход генератора импульсов ШИМ подключен к входу сброса в нуль первого счетчика через первый дифференциатор и второго счетчика - через второй цифровой инвертор и второй дифференциатор; первая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись первого регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5В, а другой ее вход соединен с выходом первого цифрового инвертора через третий дифференциатор; вторая схема 2И-НЕ своим выходом подключена ко входу разрешения на запись второго регистра сдвига, на один вход которой поступает напряжение питания 5В, а другой ее вход соединен со входом делителя частоты в 2 раза через четвертый дифференциатор; входы разрешения на преобразование параллельного кода в последовательный обоих регистров сдвига соединены с выходом первого цифрового инвертора [Патент России на полезную модель №91489, МПК H03М 1/00, опубл. 10.02.2010. Бюл.№4].Known analog-to-digital converter, consisting of a serially connected source of an analog signal, a pulse-width modulator (PWM), a first coincidence circuit, a first digital pulse counter, a first shift register, as well as a pulse generator connected to the second input of a PWM modulator, a multivibrator, connected to the second input of the first coincidence circuit, and a clock pulse generator connected to the second input of the first shift register, the first differentiator connected by the input to the output of the PWM modulator, and by the output to the input to enable the readout of the shift register, and a delay unit connected between the output of the differentiator and counter reset input to zero, characterized in that the second and third coincidence circuits, two digital inverters, a frequency divider by 2 times, three differentiators, two 2I-NOT circuits, a digital serial adder are introduced into it, and the pulse generator is connected to the second input PWM modulator via serial the first time delay block, the frequency divider 2 times, the second coincidence circuit is connected between the first coincidence circuit and the first digital counter, and the output of the first shift register is connected to one input of the digital adder directly, to the second input of which the output of the first coincidence circuit is connected through the third coincidence circuit, the second digital counter, the second shift register connected in series, to the clock input of which the clock pulse generator output is connected, the frequency divider input is 2 times connected directly to the second input of the second coincidence circuit and through the first digital inverter to the second input of the third coincidence circuit; the output of the PWM pulse generator is connected to the reset input of the first counter through the first differentiator and the second counter through the second digital inverter and the second differentiator; the first 2I-NOT circuit is connected with its output to the input of permission to write the first shift register, one input of which receives a supply voltage of 5V, and its other input is connected to the output of the first digital inverter through a third differentiator; the second 2I-NOT circuit is connected with its output to the input of permission to write the second shift register, one input of which receives a supply voltage of 5V, and its other input is connected to the input of the frequency divider 2 times through the fourth differentiator; permission inputs for converting parallel code to serial of both shift registers are connected to the output of the first digital inverter [Russian patent for useful model No. 91489, IPC H03M 1/00, publ. 10.02.2010. Bulletin No. 4].

Недостаток указанного аналого-цифрового преобразователя заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов схемы, входящих в состав широтно-импульсного модулятора, на точность преобразования аналогового сигнала.The disadvantage of this analog-to-digital converter lies in the influence of errors in the nominal values of the passive circuit elements included in the pulse-width modulator on the conversion accuracy of the analog signal.

Известно устройство фазовой автоподстройки тактовой частоты аналого-цифровых преобразователей в многоканальных системах сбора сейсмических данных, включающее тактовый генератор, связанный с тактовыми входами соединенных последовательно цифрового фильтра и дельта-модулятора аналого-цифрового преобразователя, на вход дельта-модулятора поступают аналоговые сейсмические сигналы, а выход аналого-цифрового преобразователя является выходом устройства в линию связи, отличающееся тем, что включает первый D-триггер, на тактовый вход которого поступает сигнал опроса из линии связи, а на информационный вход - сигнал готовности аналого-цифрового преобразователя, при этом тактовый генератор включает кварцевый генератор, выход которого связан с таковым входом второго D-триггер и тактовыми входами соединенных последовательно двух счетчиков-делителей частоты, при этом информационный вход первого счетчика-делителя частоты соединен с выходом первого D-триггера, а его загрузочный вход - с выходом второго D-триггера, информационный вход которого соединен с выходом переполнения второго счетчика-делителя частоты, один из разрядных выходов которого является выходом тактового генератора и связан с тактовыми входами цифрового фильтра и дельта-модулятора [Патент России на изобретение № 2207719, МПК H03М 3/02, опубл. 27.06.2003 Бюл. № 18].There is a known device for phase-locked loop frequency control of analog-to-digital converters in multichannel seismic data collection systems, including a clock generator connected to the clock inputs of a serially connected digital filter and a delta modulator of an analog-to-digital converter, analog seismic signals are fed to the input of the delta modulator, and the output analog-to-digital converter is the output of the device to the communication line, characterized in that it turns on the first D-flip-flop, the clock input of which receives a polling signal from the communication line, and the information input receives the readiness signal of the analog-to-digital converter, while the clock generator includes a quartz generator, the output of which is connected to that input of the second D-flip-flop and clock inputs of two frequency-divider counters connected in series, while the information input of the first frequency-divider counter is connected to the output of the first D-flip-flop, and its loading input is connected to the output of the second D-flip-flop, the information input of which is connected to the overflow output of the second counter-frequency divider, one of the bit outputs of which is the output of the clock generator and is connected to the clock inputs of the digital filter and delta modulator [Russian patent for invention No. 2207719, IPC H03M 3/02 , publ. 06/27/2003 Bul. No. 18].

Недостаток устройства заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов схемы дельта-модулятора на точность преобразования устройства.The disadvantage of the device lies in the influence of errors in the nominal values of the passive elements of the delta modulator circuit on the conversion accuracy of the device.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому решению является преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегратор, первый вход которого является входной шиной, второй и третий входы подключены соответственно к выходах первого и второго ключей, а выход соединен с входами первого и второго пороговых устройств, выходы которых соединены соответственно с информационными входами первого и второго D-триггеров, счетные входы которых объединены и соединены с выходом тактового генератора, а выходы являются выходными шинами и подключены к управляющим входам соответственно второго и первого ключей, информационные входы которых соединены с шинами опорных напряжений соответственно отрицательной и положительной полярностей, отличающийся тем, что с целью повышения стабильности преобразования в широком диапазоне температур, в него введены первые и второй инверторы, источник опорного напряжения и термокомпенсирующая цепь, выполненная на параллельном соединении терморезистора и резистивного шунта, первый вывод которого подключён к выходу источника опорного напряжения, а второй вывод к входу первого инвертора, выход которого соединен непосредственно с шиной опорного напряжения положительной полярности и через второй инвертор с шиной опорного напряжения отрицательной полярности [Патент России на изобретение № 2009613, МПК H03М 1/60].The closest in terms of the set of essential features to the claimed solution is a voltage-to-frequency converter containing an integrator, the first input of which is the input bus, the second and third inputs are connected respectively to the outputs of the first and second switches, and the output is connected to the inputs of the first and second threshold devices, outputs which are connected, respectively, to the information inputs of the first and second D-flip-flops, the counting inputs of which are combined and connected to the output of the clock generator, and the outputs are output buses and are connected to the control inputs of the second and first keys, respectively, the information inputs of which are connected to the reference voltage buses, respectively negative and positive polarities, characterized in that in order to increase the stability of the conversion in a wide temperature range, the first and second inverters, a reference voltage source and a temperature compensation circuit made on a parallel connection are introduced into it. torus and resistive shunt, the first terminal of which is connected to the output of the reference voltage source, and the second terminal to the input of the first inverter, the output of which is connected directly to the bus of the reference voltage of positive polarity and through the second inverter to the bus of the reference voltage of negative polarity [Patent of Russia for invention No. 2009613 , IPC H03M 1/60].

Первый недостаток данного преобразователя заключается в возникновении колебательного процесса на интеграторе при изменении напряжения входного сигнала. Второй недостаток схемы заключается в отсутствие цифровой части схемы, необходимой для получения цифрового кода, эквивалентного входному аналоговому напряжению. Третий недостаток схемы заключается во влиянии погрешностей номиналов пассивных элементов на точность преобразования аналогового напряжения в цифровой вид.The first drawback of this converter is the occurrence of an oscillatory process on the integrator when the voltage of the input signal changes. The second disadvantage of the circuit is the lack of a digital part of the circuit required to obtain a digital code equivalent to the analog input voltage. The third drawback of the circuit is the influence of errors in the nominal values of passive elements on the accuracy of converting analog voltage into digital form.

Технической проблемой, решаемой заявленным изобретением, является создание аналого-цифрового преобразователя, способного компенсировать отклонение номиналов пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), входящих в состав аналого-цифрового преобразователя.The technical problem solved by the claimed invention is the creation of an analog-to-digital converter capable of compensating for the deviation of the nominal values of passive components (resistors, capacitors, inductors) included in the analog-to-digital converter.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении точности преобразования аналогового сигнала, за счет компенсации отклонений номиналов пассивных компонентов схемы, а также возможностью компенсации нелинейности выходных характеристик блоков, входящих в состав аналого-цифрового преобразователя.The technical result provided by the invention consists in increasing the conversion accuracy of the analog signal by compensating for the deviations in the nominal values of the passive components of the circuit, as well as the possibility of compensating for the nonlinearity of the output characteristics of the units included in the analog-to-digital converter.

Для достижения вышеуказанного технического результата аналого-цифровой преобразователь выполнен содержащим цифровой синхронный счетчик, цифровой параллельный регистр, частотно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением, цифровой делитель частоты, причем вход цифрового синхронного счетчика, являющийся первым входом устройства, предназначен для приема тактового сигнала, выход цифрового синхронного счетчика подключен к первому входу частотно-фазового детектора, выходная шина данных цифрового синхронного счетчика подключена к первому входу цифрового параллельного регистра, выход частотно-фазового детектора подключен ко второму входу цифрового параллельного регистра и к первому входу фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот, являющийся вторым входом устройства, предназначен для приема измеряемого напряжения, выход фильтра нижних частот подключен к входу генератора, управляемого напряжением, выход которого подключен к входу цифрового делителя частоты, выход цифрового делителя частоты подключен ко второму входу частотно-фазового детектора, выход цифрового параллельного регистра выполнен в виде выходной шины, фильтр нижних частот выполнен на основе пропорционально-интегрирующего звена с двумя резистивными блоками.To achieve the above technical result, the analog-to-digital converter is made containing a digital synchronous counter, a digital parallel register, a frequency-phase detector, a low-pass filter, a voltage-controlled generator, a digital frequency divider, and the input of a digital synchronous counter, which is the first input of the device, is intended for clock signal reception, the output of the digital synchronous counter is connected to the first input of the frequency-phase detector, the output data bus of the digital synchronous counter is connected to the first input of the digital parallel register, the output of the frequency-phase detector is connected to the second input of the digital parallel register and to the first input of the low-pass filter , the second input of the low-pass filter, which is the second input of the device, is designed to receive the measured voltage, the output of the low-pass filter is connected to the input of a voltage-controlled generator, the output of which is connected to the input of a digital divider h frequency, the output of the digital frequency divider is connected to the second input of the frequency-phase detector, the output of the digital parallel register is made in the form of an output bus, the low-pass filter is made on the basis of a proportional-integrating link with two resistive blocks.

В частном случае выполнения аналого-цифрового преобразователя фильтр нижних частот содержит два резистивных блока, два конденсатора и операционный усилитель, первый вход фильтра нижних частот является входом первого резистивного блока, первый выход первого резистивного блока подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, второй выход первого резистивного блока подключен к первому конденсатору, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, образуя выход фильтра нижних частот, второй вход фильтра нижних частот является входом второго резистивного блока для приема измеряемого сигнала, первый выход второго резистивного блока подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, второй выход второго резистивного блока подключен к входу второго конденсатора, выход которого подключен к точке нулевого потенциала схемы.In the particular case of an analog-to-digital converter, the low-pass filter contains two resistive units, two capacitors and an operational amplifier, the first input of the low-pass filter is the input of the first resistive unit, the first output of the first resistive unit is connected to the inverting input of the operational amplifier, the second output of the first resistive unit connected to the first capacitor, the output of which is connected to the output of the operational amplifier, forming the output of the low-pass filter, the second input of the low-pass filter is the input of the second resistive unit for receiving the measured signal, the first output of the second resistive unit is connected to the non-inverting input of the operational amplifier, the second output of the second resistive block is connected to the input of the second capacitor, the output of which is connected to the point of zero potential of the circuit.

Изобретение поясняется следующими материалами:The invention is illustrated by the following materials:

Фиг.1 - аналого-цифровой преобразователь;Fig. 1 is an analog-to-digital converter;

Фиг.2 - фильтр нижних частот. Fig. 2 is a low-pass filter.

Аналого-цифровой преобразователь (фиг. 1) содержит цифровой синхронный счетчик 1, цифровой параллельный регистр 2, частотно-фазовый детектор 3, фильтр нижних частот 4, генератор 5, управляемый напряжением, цифровой делитель частоты 6. На вход цифрового синхронного счетчика 1 поступает тактовый сигнал, выход цифрового синхронного счетчика 1 подключен к первому входу частотно-фазового детектора 3 для передачи инверсного сигнала старшего бита, выходная шина данных цифрового синхронного счетчика 1, подключена к первому входу цифрового параллельного регистра 2. Выход частотно-фазового детектора 3 подключен к второму входу цифрового параллельного регистра 2 и к первому входу фильтра нижних частот 4. На второй вход фильтра нижних частот 4 поступает измеряемый сигнал, а выход фильтра нижних частот 4 подключен к входу генератора 5, управляемого напряжением. Выход генератора 5, подключен к входу цифрового делителя частоты 6, выход цифрового делителя частоты 6 подключен ко второму входу частотно-фазового детектора 3. Выход цифрового параллельного регистра 2 выполнен в виде выходной шины и является выходом устройства. Фильтр нижних частот 4 выполнен на основе активного интегрирующего звена с двумя резистивными блоками.The analog-to-digital converter (Fig. 1) contains a digital synchronous counter 1, a digital parallel register 2, a frequency-phase detector 3, a low-pass filter 4, a voltage-controlled generator 5, a digital frequency divider 6. A clock is supplied to the input of a digital synchronous counter 1. signal, the output of the digital synchronous counter 1 is connected to the first input of the frequency-phase detector 3 to transmit the inverse signal of the most significant bit, the output data bus of the digital synchronous counter 1 is connected to the first input of the digital parallel register 2. The output of the frequency-phase detector 3 is connected to the second input digital parallel register 2 and to the first input of the low-pass filter 4. The measured signal is supplied to the second input of the low-pass filter 4, and the output of the low-pass filter 4 is connected to the input of the voltage-controlled generator 5. The output of the generator 5 is connected to the input of the digital frequency divider 6, the output of the digital frequency divider 6 is connected to the second input of the frequency-phase detector 3. The output of the digital parallel register 2 is made in the form of an output bus and is the output of the device. The low-pass filter 4 is made on the basis of an active integrating link with two resistive blocks.

Фильтр нижних частот 4 содержит два резистивных блока 7, 8, два конденсатора 9,10 и операционный усилитель 11. Вход первого резистивного блока 7 является первым входом фильтра нижних частот, первый выход резистивного блока 7 соединен с инвертирующем входом операционного усилителя 11, второй выход резистивного блока 7 соединен с входом первого конденсатора 9, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 11, образуя выход фильтра нижних частот 4. Вход резистивного блока 8 является вторым входом фильтра нижних частот 4, первый выход резистивного блока 8 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 11, второй выход резистивного блока 8 подключен к входу второго конденсатора 10, а выход конденсатора 10 подключен к точке нулевого потенциала микросхемы.The low-pass filter 4 contains two resistive units 7, 8, two capacitors 9,10 and an operational amplifier 11. The input of the first resistive unit 7 is the first input of the low-pass filter, the first output of the resistive unit 7 is connected to the inverting input of the operational amplifier 11, the second output of the resistive block 7 is connected to the input of the first capacitor 9, the output of which is connected to the output of the operational amplifier 11, forming the output of the low-pass filter 4. The input of the resistive block 8 is the second input of the low-pass filter 4, the first output of the resistive block 8 is connected to the non-inverting input of the operational amplifier 11, the second output of the resistive unit 8 is connected to the input of the second capacitor 10, and the output of the capacitor 10 is connected to the zero-potential point of the microcircuit.

Резистивные блоки 7, 8 состоят из резистивного делителя напряжения, который определяет диапазон выходного сигнала фильтра нижних частот.Resistive units 7, 8 consist of a resistive voltage divider, which determines the range of the output signal of the low-pass filter.

Аналого-цифровой преобразователь работает следующим образом: измеряемый сигнал подается на второй вход фильтра нижних частот 4, уровень которого линейно влияет на изменение скважность выходного сигнала частотно-фазового детектора, по заднему фронту которого происходит считывание данных с синхронного цифрового счетчика 1 и запись в цифровой параллельный регистр 2. Операционный усилитель 11 входящий в состав фильтра нижних частот 4 стремиться к нулевой разнице напряжений на входах, так как имеет инвертирующую схему включения с отрицательной обратной связью. Частотно-фазовый детектор 3, фильтр нижних частот 4, генератор 5, цифровой делитель частоты 6 образуют контур фазовой автоподстройки частоты с отрицательной обратной связью, которая стремиться скомпенсировать разницу напряжений на входах операционного усилителя 11 за счет изменения скважности выходного сигнала частотно-фазового детектора 3. В результате чего скважность выходного сигнала частотно-фазового детектора 3 изменяется в зависимости от напряжения на втором входе фильтра нижних частот 4 по линейному закону в диапазоне, зависящем от типа операционного усилителя 11.The analog-to-digital converter works as follows: the measured signal is fed to the second input of the low-pass filter 4, the level of which linearly affects the change in the duty cycle of the output signal of the frequency-phase detector, on the trailing edge of which data is read from the synchronous digital counter 1 and written to the digital parallel register 2. The operational amplifier 11, which is part of the low-pass filter 4, strives for a zero voltage difference at the inputs, since it has an inverting switching circuit with negative feedback. The frequency-phase detector 3, low-pass filter 4, generator 5, digital frequency divider 6 form a phase-locked loop with negative feedback, which seeks to compensate for the voltage difference at the inputs of the operational amplifier 11 by changing the duty cycle of the output signal of the frequency-phase detector 3. As a result, the duty cycle of the output signal of the frequency-phase detector 3 changes depending on the voltage at the second input of the low-pass filter 4 according to a linear law in the range depending on the type of the operational amplifier 11.

Согласно проведённым экспериментам, использование данного решения позволит повысить точность преобразования аналогово сигнала до 0,001% при значениях температуры от - 60°С до 125°С за счет компенсационных свойств обратных связей аналого-цифрового преобразователя.According to the experiments, the use of this solution will increase the conversion accuracy of the analog signal to 0.001% at temperatures from - 60 ° C to 125 ° C due to the compensating properties of the analog-to-digital converter feedbacks.

Claims

1. An analog-to-digital converter containing a digital synchronous counter, a digital parallel register, a frequency-phase detector, a low-pass filter, a voltage-controlled generator, a digital frequency divider, and the input of the digital synchronous counter is designed to receive a clock signal, the output of the digital synchronous counter is connected to the first input of the frequency-phase detector, the output data bus of the digital synchronous counter is connected to the first input of the digital parallel register, the output of the frequency-phase detector is connected to the second input of the digital parallel register and to the first input of the low-pass filter, the second input of the low-pass filter is intended for receiving measured voltage, the output of the low-pass filter is connected to the input of the voltage-controlled generator, the output of which is connected to the input of the digital frequency divider, the output of the digital frequency divider is connected to the second input of the frequency-phase detector, the output of the digital parallel register and is made in the form of an output bus, the low-pass filter is made on the basis of a proportional-integrating element with two resistive blocks.

2. The analog-to-digital converter according to claim 1, characterized in that the low-pass filter contains two resistive units, two capacitors and an operational amplifier, the first input of the low-pass filter is the input of the first resistive unit, the first output of the first resistive unit is connected to the inverting input of the operating amplifier, the second output of the first resistive unit is connected to the first capacitor, the output of which is connected to the output of the operational amplifier, forming the output of the low-pass filter, the second input of the low-pass filter is the input of the second resistive unit for receiving the measured signal, the first output of the second resistive unit is connected to the non-inverting input operational amplifier, the second output of the second resistive unit is connected to the input of the second capacitor, the output of which is connected to the point of zero potential of the circuit.