SU788374A1 - Аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешностей - Google Patents

Description

1

Изоб.ретение относитс  к измерительной технике и може быть использовано в системе автоматического измерени , а также в качестве автономного измерительного прибора с автоматической 5 цифровой коррекцией аддитивной и мультипликативной -погрешностей преобразовани  аналоговой величины в цифровой код.

Известен аналого-цифровой преобра- Ю эователь с автоматической калибровкой , содержащий источники измер емого и двух эталонных напр жений, выходы которых через аналоговый коммутатор соединены с преобразователем на- 15 пр жение-частота, реверсивные счетчики , генератор эталонной частоты, устройство управлени  и элементы И, кроме того, он содержит регистры пам ти, дешифраторы и блок сравнени . В ана- 20 лого-цифровом преобразователе с автоматической калибровкой по команде Калибровка устройство управлени  начинает поочередно подключать к входу преобразовател  напр жение-частота 25 источники первого и второго эталонных напр жений. Этот процесс продолжаетс  до тех пор, пока в реверсивных счетчиках и регистрах пам ти не -установитс  с заданной степенью точное- 0

ти значение множител  смешени  нул  (начальной установки) и множител  калибровки (времени измерени ), которые при измерении неизвестного напр жени  компенсируют погрешности ухода нул  (аддитивна  погрешность) и изменени  крутизны (мультипликативна  погрешность) преобразовател  напр жение-частота. Другими словами, после нескольких циклов калибровки методом последовательного приближени  вырабатываютс  значени  начальной установки и времени измерени , при которых , независимо от изменени  характеристики преобразовател  напр жениечастота , коды, соответствующие нулевому и полномасштабному .значени м напр жений (нижней и верхней границам ) , равны с заданной степенью точности ,заданным ij.

Недостатком устройства  вл етс  пониженное быстродействие преобразовател , обусловленное тем, что значени  множител  смещени  нул  и множител  калибровки вырабатываютс  после нескольких инеративных циклов калибровки , т.е. нескольких циклов последовательного приближени .

Известен аналого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией погрешq

ностей, содержащий источники измер емого и двух эталонных напр жений, преобразователь напр жение-частота, вход которого через аналоговые переключатели соединен с источниками напр жений , блок управлени , первые три входа которого соединены с аналоговыми переключател ми, первый, второй, третий, четвертый элементы И, первые входы которых соединены с четвертым п тым, шестым и седьмым выходами блока управлени  соответственно, а вторые входы первого и второго элементов И соединены с выходом преобразовател  напр жение-частота, первый и второй реверсивные счетчики, входы которых соединены с выходами первого второго, третьего и четвертого элементов И соответственно, генератор опорной частоты, первый и второй суммирующие счетчики, выход второго суммирующего счетчика соединен с входом блока управлени , двоичный умножитель входы которого соединены с выходами первого суммирующего и второго реверсивного счетчиков, а выход соединен с входом второго суммирующего счетчика , элемент ИЛИ, входы которого соединены .с четвертым и п тым выходами блока управлени ,п тый элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора эталонной частоты, второй вход соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход соединен с входом первого суммирующего счетчика, причем вторые входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом преобразовател  напр жение-частота 2 .

Недостатком  вл етс  пониженное быстродействие преобразовател , обусловленное тем, что имеютс  3 подтакта калибровки и только после этого следует такт измерени . При этом длительность третьего подтакта калибровки и равна  ей длительность такта измерени  сравнимы с длительностью первого подтакта кгитибровки и в частности , равны ему, если преобразователь напр жение-частота не имеет погрешностей ухода нул  и изменени  крутизны. Кроме того, недостатком известного устройства  вл етс  сложность конструкции, например блока управлени  , параметры команд которого завис т от величины измер емого напр жени .

Цель изобретени  - повьлшение быстродействи  и точности преобразовани .

Поставленна  цель достигаетс  тем что в ансшого-цифровой преобразователь с цифровой коррекцией norpeuJHOcтей , содержащий первый и второй источники эталонного напр жени , источник измер емого напр жени , которые через первый, второй и третий аналоговые ключи соединены с входом преобразовател  напр жение-частота, выход которого соединен с первыми входами первого , второго и третьего элементов И, выходы первого и второго элементов И. соединены с вычитающим и сумг- ируюдим входами первого счетчика соответственно , выходы первого и третьего элементов И соединены с вычитающим и суммирующим входами второго счетчика соответственно , третий счетчик, двоичный умножитель, входы которого соединены с выходами первого и третьего счетчиков, генератор, четвертый и п тый элементы И, введены первый и второй триггеры, делитель и сдвигающий регистр, причем шина начальной установки соединена с установочными входами делител  сдвигающего регистра, счетчиков и триггеров, а выходы сдвигающего регистра соединены со вторыми входами аналоговых ключей и со вторыми входами первого, второго и третьего элементов И, а вход - с выходом делител , входом подключенного к выходу генератора и первому входу четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера , а выход - с входом третьего счетчика, выход второго счетчика соединен с единичным входом второго триггера , выход которого соединен с первым входом п того элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И, при этом единичный вход первого триггера соединен с выходом п того элемента И, а нулевой вход - с выходом двоичного умножител  .

На чертеже представлена структурна схема аналого-цифрового преобразовател , содержащего источник 1 первого эталонного напр жени  UQ, источник 2 второго эталонного напр жени  и,, аналоговые ключи 4,5 и 6, преобразователь напр жение-частота 7, сдвигающий регистр 8, делитель 9, первый, второй и третий счетчики 10, 11 и 12, генератор 13, элементы И 14, 15, 16, 17 и 18 двоичный умножитель 19, триггеры 20 и 21, шину начальной установки 22.

Источник 1 первого эталонного напр жени  OQ предназначен дл  задани  посто нного напр жени , величина которого не превосходит нижней границы диапазона измер емых напр жений. Например , если измер емые напр жени  Uj наход тс  в диапазоне от О до 1 В, то вличина напр жени  Uo Од. Источник 2 второго эталонного напр жени  и f предназначен дл  задани  посто нного напр жени , величина которого не ниже верхней границы диапазона измер емых напр жений. Например, если измер емые напр жени  Uj наход тс  в диапазоне от О до 1 В включительно, то величина напр жени  UfT,.lB. Источник 3 измер емого напр жени  DX задает посто нное напр жение, значение которого требуетс  представить в цифровом вице . Аналоговые ключи 4,5,6 предназначены дл  поочередного подключени  источников 1,2 и 3 ко входу преобра зовател  напр жение-частота 7. Преоб разователь напр жение-частота 7 осу дествл ет преобразование величины входного напр жени  в частоту, причем преобразователь имеет как аддитивную погрешность (ухода нул ), та и мультипликативную погрешность (из менение крутизны характеристики). Сдвигающий регистр 8 предназначен дл  управлени  аналоговыми ключами 4,5,6. Регистр 8 имеет 3 разр да, которые подключены к управл ющим входам аналоговых ключей и ко входам элементов И 14, 15, 16. Делитель 9 представл ет собой счетчи.к посто нной емкости, выход которого св зан с тактирующим (сдвигающим) входом регистра 8. Счетчик 10 двоичный реверсивный счетчик. Счетчик 11 - счетчик результата измерени  напр жени  U . Счетчик 12 - реверсивный счетчик. Генератор 13 пред назначен дл  получени  стабильной (посто нной) частоты. Он может быть выполнен на базе кварцевого генерато ра. Дл  нормального функционировани  устройства достаточно, чтобы частота генератора 13 отвечала соотношению РП г. .Max , ({ const. - частота генератора - максимальна  частота , которую может формировать на своем выходе преобразо ватель напр жениечастота 7. Соотношение (1) по сним ниже после рассмотрени  работы устройства. Двоичный умножитель 19 предназначен дл  формировани  количества импульсов ., отвечающих соотношению где Мд.у количество импульсов на ходе двоичного умножител число в счетчике 10; число в счетчике 11; емкость каждого из счетчиков 10 и 11. Примером двоичного умножител  мож служить микросхема К155ИЕ8, один кор пус которой позвол ет подключить сч чик на б разр дов, т.е. , два следовательно подключенных корпуса К155ИЕ8 - на 12 разр дов, т.е. и т.д. Устройство работает следующим об разом. По команде Начальна  установка поступающей на шину начальной уста новки 22, делитель 9 и счетчики 10, 11 и 12 обнул ютс , триггеры 20 ,и 21 устс1навливаютс  в О состо ние, в первый разр д сдвигаклцегй рёгистра 8 записываетс  1, во второй и третий разр ды регистра записываетс  О. Этот момент  вл етс  моментом начала работы устройства. Единичный сигнал с выхода первого разр да регистра В  вл етс  разрешением на замыкание переключател  4 и разрешением на прохождение сигнала по первому входу элемента И 14. Источник 1 первого эталонного напр жени  оказываетс  подключенным ко входу преобразовател  напр жение-частота 7, а чатота с выхода этого преобразовател  поступает через элемент И 14 на вычитающие входы счетчиков 10 и 12. Этот процесс продолжаетс  до поступлени  на тактирующий (сдвигающий) вход регистра 8 импульса переполнени  с выхода делител  9. Длительность первого такта измерени  определ етс  выражением: const. Е - емкость делител ; F - частота генератора 13. Дл . предлагаемого прибора величины Е и F посто нны. течение времени Tv, в счетчики 10 и 12 запишетс  Г Ч Ki , г , Nj F, . Т к число в счетчике 10 (и счетчике 12); частота на выходе преобразовател  7, соответствующа  эталонному напр жению UQ. Момент сдвига 1 с первого разр да регистра 8 во второй разр д этого регистра  вл етс  началом второго такта измерени  Единичный сигнал с выхода второго разр да регистра 8 дает разрешение на замыкание ключа 5 и разрешение на прохождение сигнала по первому входу элемента И 15. Источник 2 второго эталонного напр жени  оказываетс  подключенным ко входу преобразовател  7, а источник 1 отключаетс , так как в первом разр де регистра 8 остаетс  О. Частота с выхода преобразовател  7 через элемент И 15 поступает на суммирующий вход счетчика 10. -Этот процесс продолжаетс  до поступлени  на тактирующий вход регистра 8 второго импульса переполнени  с выхода делител  .9, т.е. в течение интервала Con5t, где TU, - длительность второго интервала измерени . В течение времени Т..о в счетчик 10 за пишетс  число Нл F 1 1 И2; где N,j - число, записанное в счетчик 10 по суммирующему входу; Гл - частота на выходе преобразовател  7 , соответствующа  эталонному напр жению U. Число N2 будет больше числа N,;, так как частота Fo F.J вс ледствн  сого , что Uf Ug . Таким образом, после окончани  второго интервала liSj.sepeHHf в счетчике 10 будет залисаьс ч.псито (N2-N.j) О (6-) Момент сдвига 1 со второго разр да в третий  вл етс  началом третьего такта измерени  Т,.-,. Единичный сигнал с выхода третьего разр да регистра 8 дает разрешение на замЕаткание ключа б и разрешение на прохожценне сигнала по первому входу элемента И 16. Источник 3измер емого напр жени  DX оказываетс  подключенным ко входу преобразовател  7, а источник отключаетс , так как во втором p,:i3р де регистра 8 остаетс  О, Частота свыхода преобразовател  7 через элемент И 16 поступает иа элемент И 18 и суммирующий вход счетчика 12. Этот процесс продолжаетс  до поступлени  на тактирующий вход регистра 8 третьего импульса, переполнени  с выхода делител  9, т.е. в течение интер вала где длительность третьего интер вала измерени . В течение времени Т. с выхода пре образовател  7 поступит Nj. импульсов где N; - количество импульсов с выхо да преобразовател  7; F - частота на выходе преобразовател  7, соответствуюаш  измер емому напр жению U. Отметим, что N/, так .как Р.- РЗ - Pj , ввиду того, что U(j.iLl(,-f Ugp Импульсы N)c поступают на сумг/1ируго щий вход счетчика 12 и на элемент И 18. Однако триггер 20 находитс  в нулевом состо нии, тем самгли даетс  запрет на прохождение импульсов Njr через элемент И 18. Как только на суммирующий вход счетчика 12 поступит число/ Q (о счетчик 12 окажетс  в О, импульсом обнулени  с выхода счетчика 12 уста-навливаетс  в 1 триггер 20. Этим даетс  разрешение на прохождение импульсов NX через элемент И 18. Отметим , что на выходе триггера 20 сигнал 1 останетс  до окончани  работы устройства-, т.е. импульс обнуле ни  с выхода счетчика 12 может устанавливать этот триггер только в 1, и если в процессе работы на вход счетчика 20 поступит еще один или не сколько импульсов обнулени  с выхода счетчика 12, то этим состо ние триггера 20 не может быть изменено (подтверждение состо ни ). Импульс Ну, по номером NXJ N + 1 поступит через эл мент И 18 на вход триггера 21, установит триггер 21 в состо ние 1, тем аамым даетс  разрешение на прохождение импульсов с генератора 13 через элемент И 17 на вход счетчика 11. Это, в свою очередь, вызовет по вление импульса на выходе двоичного умножител  19, который установит триггер 21 на О. Этим даетс  запрет на прохождение импульсов через злемент И 17 на вход счетчика 11. Импульс с выхода преобразовател  7 под номером N + 2 вновь установит триггер 21 в 1, даетс  сигнал разрешени  на элемент И 17, счетчик 11 заполн етс  импyльca ш с выхода генератора 13, по вл етс  импульс на выходе двоичного умножител  19 и т.д. Так будет продолжатьс  до импульса под номером N-jt; , где N ; определ етс  выражением (7). С учетом (8) количество импульсов с выхода двоичного умножител  19 равно: Нз N,NXI . - NO где N J - количество импульсов с выхода двоичного умножител  в течение Т Количество импульсов на выходе двоичного умножител  св зано с количеством импульсов на выходе соотношени  (2). С учетом (4) и (5) можно записать i }. 1 w-i Использу  (2), () и (7), получим У ( L ilIlllH± г-1г; -1г,,/Чр2-р,1т,, Отсюда Характеристику преобразовател  напр нсение-частота 7 представим в виде вы Г о где FJ, частота на выходе преобразовател ; напр жение на входе преобразовател / начальное значение частоты преобраз овател ; k - коэффициент, характеризующий наклон характеристики преобразовател . Так как врем  измерени  незначительно по сравнению с посто нными времени изменени  параметров преобразовател , то k const и Fg const дл  этого измерени . Тогда из (11) следует F F(7 + F FO +

Подставив эти значени  в

10) , ним

U.-Uo

т.е. в счетчике 10 в момент окончани  третьего такта измерени  записано число , пр мо пропорциональное измер емому напр жению.

Частота генератора 13 должна быть такой, чтобы при заполнении этой частотой счетчика 11 двоичный умножитель 19 успевал бы сформировать один импульс между каждыми двум  импульсами с выхода преобразовател  7, т.е. чтобы на входы триггера 21 импульсы поступали поочередно. В схеме двоичного умножител  19 старшие разр ды счетчика 10 св заны с младшими разр дами счетчика 11 (и наоборот ) , т.е. последний разр д счетчика 10 св зан с первым разр дом счетчика 11, предпоследний разр д счетчика 10 св зан со вторым разр дом счетчика 11 и т.д. Таким образом, если после второго интервала измерени  в счетчике 10 записано такое число , что и в последнем разр де этого счетчика 1, то при поступлении каждых двух импульсов на вход счетчика 11 с выхода двоичного умножител  19 об зательно формируетс  один импульс (действительно, старший раз:р д счетчика 10 в 1, а триггер младшего разр да счетчика 11 дважды изменит свое состо ние, т.е. пройдет об зательно через состо ние 1). Если в счетчике 10 такое число, что 1 в последнем разр де этого,счетчика нет, а есть 1 в предпоследнем разр де, то аналогично описанному на каждые четыре импульса на входе счетчика 11 об зательно сформируетс  хот  бы один импульс на выходе двоичного умножител  19 (так как триггер второго разр да счетчика 11 об зательно изменит дважды свое состо ние, т.е. пройдет через состо ние 1).

Кроме того, при использовании устройства в измерительно-информационных системах с обработкой (например , с осреднением) информации упрощаетс  стыковка устройства с вычислительными блоками, так как врем  измерени  есть величина посто нна  дл  предложенного устройства. Известные устройства при этом требуют применени  согласующих блоков, так

nojivкак MOMSfiT получени  информации определ етс  измер емым напр жением.

Claims (2)

1. Патент США № 3633202,кл.340-347, 04.02.72.

2. Авторское свидетельство СССР по за вке № 2610467/21,кл.Н 03 К 13/20.