Аналого-цифровой преобразователь с коррекцией случайной погрешности

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования аналогового сигнала в цифровой код методом поразрядного уравновешивания. Целью изобретения является увеличение помехозащищенности аналого-цифрового преобразователя. Цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь введены дополнительный одноразрядный цифроаналоговый преобразователь, ждущий генератор прямоугольных импульсов, элемент НЕ, двоичный счетчик, мультиплексор, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, RS-триггер, первый и второй формирователи импульсов. 5 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для преобразования аналогового сигнала в цифровой код методом поразрядного уравновешивания с высокой помехозащищенностью.

Известен АЦП, исправляющий случайные ошибки, возникающие в процессе измерения [1].

Недостатком его является увеличение времени преобразования за счет того, что число тактов работы, приходящееся на одно измерение, становится переменным, а для проверки последних разрядов АЦП необходимо ввести дополнительные избыточные разряды.

Известен также АЦП, в котором для уменьшения неопределенности порога срабатывания компаратора реализован метод Гетти (скользящей шкалы) [2].

В этом преобразователе для достижения требуемой точности используется большее число преобразований. При этом значительно увеличивается время преобразования, что является существенным недостатком этого метода.

В АЦП шумы влияют на процесс преобразования входного сигнала U(вх) в выходной код, внося случайную погрешность. В АЦП поразрядного уравновешивания случайная погрешность возникает из-за ложного срабатывания сравнивающего устройства и особенно влияет на процесс преобразования в моменты определения младших разрядов. Уменьшить влияние случайной погрешности можно, если применить статистическую обработку, которая заключается в том, что берется N результатов АЦ-преобразования и вычисляется их математическое ожидание. Этот способ в N раз увеличивает время преобразования АЦП.

Наиболее близким по технической сущности (прототип) является АЦП, содержащий основной цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), схему суммирования, сравнивающее устройство, регистр последовательных приближений, генератор тактовых импульсов, дополнительный ЦАП, RS-триггер, элемент ИЛИ, регистр со схемами переноса единицы. [3]. В данном АЦП осуществляется коррекция динамической погрешности от переходного процесса, возникающего при установлении компенсирующего напряжения старших разрядов основного ЦАП. АЦП по сравнению с известными обеспечивает более высокой быстродействие, так как из цепи последовательных приближений исключается регистр, т.е. сокращается элементарный такт АЦП.

Недостатком АЦП является слабая помехозащищенность, вследствие чего вносится случайная погрешность в результат АЦ-преобразования.

Целью изобретения является увеличение помехозащищенности АЦП поразрядного уравновешивания с помощью алгоритма коррекции случайной погрешности.

Цель достигается тем, что в АЦП с коррекцией случайной погрешности, содержащий последовательно соединенные основной ЦАП, блок суммирования, сравнивающее устройство, второй вход которого является входной шиной, регистр последовательных приближений, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, дополнительный ЦАП, выход которого соединен с вторым входом блока суммирования, триггер, элемент ИЛИ, введены элемент задержки, управляемый генератор импульсов, мультиплексор, два элемента И, счетчик, одновибратор, элемент НЕ, два формирователя импульсов, выходы которых соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым информационным входом мультиплексора и подключен к выходу сравнивающего устройства, а выход соединен со счетным входом счетчика, вход установки в ноль которого объединен с управляющим входом управляемого генератора импульсов и подключен к выходу одновибратора, а выход переполнения соединен с вторым информационным входом мультиплексора, управляющий вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу триггера, R- и S-входы которого соединены соответственно с выходом "Конец преобразования" и выходом старшего разряда группы младших разрядов регистра последовательных приближений, выходы группы старших и младших разрядов которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами основного ЦАП, причем второй вход второго элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом одновибратора, выход управляемого генератора импульсов соединен с входом первого формирователя импульсов, через элемент задержки с входом дополнительного ЦАП, а через элемент НЕ с входом второго формирователя импульсов, при этом выход мультиплексора соединен с информационным входом регистра последовательных приближений.

Сравнение известных технических решений с заявленным АЦП показало, что его существенными отличительными признаками является наличие совокупности новых узлов и связей. Новые узлы: элемент задержки, управляемый генератор импульсов, мультиплексор, два элемента И, счетчик, одновибратор, элемент НЕ, два формирователя импульсов. Новые функциональные связи: выходы двух формирователей импульсов соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым информационным входом мультиплексора и подключен к выходу сравнивающего устройства, а выход соединен со счетным входом счетчика, вход установки в ноль которого объединен с управляющим входом управляемого генератора импульсов и подключен к выходу одновибратора, а выход переполнения соединен с вторым информационным входом мультиплексора, управляющий вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу триггера, R- и S -входы которого соединены соответственно с выходом "Конец преобразования" и выходом старшего разряда группы младших разрядов регистра последовательных приближений, выходы группы старших и младших разрядов которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами основного ЦАП, причем второй вход второго элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом одновибратора, выход управляемого генератора импульсов соединен с входом первого формирователя импульсов, через элемент задержки с входом дополнительного ЦАП, а через элемент НЕ с входом второго формирователя импульсов, при этом выход мультиплексора соединен с информационным входом регистра последовательных приближений.

Технические решения со сходными отличительными признаками по патентной и научно-технической литературе не обнаружены, следовательно, предложенный АЦП обладает существенными отличиями и соответствует критерию новизны.

Введение новых узлов и новых функциональных связей обеспечивает увеличение помехозащищенности АЦП за счет коррекции случайной погрешности, которая осуществляется с помощью статистической обработки компенсирующего напряжения, проводимой при определении каждого младшего разряда.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого АЦП, которая содержит основной ЦАП 1, блок 2 суммирования, сравнивающее устройство 3, регистр 4 последовательных приближений, генератор 5 тактовых импульсов, дополнительный ЦАП 6, RS-триггер 7, элемент ИЛИ 8, элемент 9 задержки, управляемый генератор 10 импульсов, мультиплексор 11, первый 12 и второй 13 элементы И, счетчик 14, одновибратор 15, элемент НЕ 16, первый 17 и второй 18 формирователи импульсов. Основной ЦАП 1, блок 2 суммирования, сравнивающее устройство 3, второй вход которого является входной шиной, регистр 4 последовательных приближений, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 5 тактовых импульсов, дополнительный ЦАП 6, выход которого соединен с вторым входом блока 2 суммирования, RS-триггер 7, элемент ИЛИ 8 соединены последовательно. Выходы первого 17 и второго 18 формирователей импульсов соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ 8, выход которого соединен с первым входом первого элемента И 12, второй вход которого объединен с первым информационным входом мультиплексора 11 и подключен к входу сравнивающего устройства 3. Выход элемента И 12 соединен со счетным входом двоичного счетчика 14, вход установки в ноль которого объединен с управляющим входом управляемого генератора 10 прямоугольных импульсов и подключен к выходу одновибратора 15. Выход переполнения двоичного счетчика 14 соединен с вторым информационным входом мультиплексора 11, управляющий вход которого объединен с первым входом второго элемента И 13 и подключен к выходу RS-триггера 7. R- и S-входы RS-триггера 7 соединены соответственно с выходом "Конец преобразования" и выходом старшего разряда группы младших разрядов регистра 4 последовательных приближений, выходы группы старших и младших разрядов которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами основного ЦАП 1. Второй вход второго элемента И 13 соединен с выходом генератора 5 тактовых импульсов, а выход - с входом одновибратора 15. Выход управляемого генератора 10 импульсов соединен с входом первого формирователя 17 импульсов, через элемент 9 задержки с входом дополнительного ЦАП 6, а через элемент НЕ 16 с входом второго формирователя 18 импульсов. Выход мультиплексора 11 соединен с информационным входом регистра 4 последовательных приближений.

Процесс преобразования входного сигнала в выходной код в заявленном АЦП происходит так же, как и в прототипе. Отличие состоит в том, что во время процесса уравновешивания при определении каждого разряда из группы младших разрядов осуществляется статистическая обработка логических сигналов с выхода сравнивающего устройства 3.

Известно, что время установления старших разрядов больше времени установления младших разрядов. Время установления каждого разряда можно определить исходя из допустимой абсолютной погрешности АЦП и веса каждого разряда. Абсолютную погрешность установления каждого разряда можно определить как = U_макс- U1-e . (1) Исходя из выражения (1) можно по- лучить время Т_уст, необходимое для установления переходного процесса с заданной приведенной погрешностью _прив: = U_макс- U_макс+ U_макс e ; = U_макс e ; e = = _прив; Т_уст = - ln _прив. (2) Если учесть, что = , то выражение (2) можно упростить следующим образом: t = T_уст= -ln ; Т_уст = - ln2^-N;
T_уст = N ln2 0,69N , (3) где N - номер разряда АЦП, причем N = 1, является младшим разрядом, а N = 16 - старшим разрядом (для шестнадцатиразрядного АЦП); - постоянная времени переходного процесса в аналоговых узлах АЦП (с); _прив - приведенная погрешность; U_макс - максимальная амплитуда i-го разряда; - абсолютная погрешность; t, Т_уст - время, необходимое для установления переходного процесса с заданной погрешностью.

Так как период тактовых импульсов не изменяется, то после установления каждого разряда из группы младших разрядов остается дополнительное время
Т_{доп i} = Т - Т_{уст i}, где Т - период тактовых импульсов; Т_{уст i} - время, необходимое для установления переходного процесса i -го разряда с заданной погрешностью (фиг. 2).

Дополнительное время Т_{доп i} используется для статистической обработки компенсирующего напряжения U_к путем обработки логических сигналов с выхода сравнивающего устройства 3. Во время Т_{доп i} на компенсирующее напряжение U_(к), содержащее случайную помеху, накладывается с выхода дополнительного одноразрядного ЦАП 6 посредством блока 2 суммирования прямоугольный сигнал с весом, равным весу самого младшего разряда. При этом на выходе сравнивающего устройства появляется последовательность логических "0" и "1", с помощью которой можно определить "выше" или "ниже" порога срабатывания сравнивающего устройства 3, находится среднее значение компенсирующего напряжения U(к) с наложенным шумом и, следовательно, достоверное значение логического сигнала на входе регистра 4 последовательных приближений (фиг. 3).

Процесс происходит следующим образом.

При включении старшего разряда из группы младших разрядов регистра 4 последовательных приближений триггер 7 переключается из "0" в "1". При этом мультиплексор 11 отключает вход регистра 4 последовательных приближений от выхода сравнивающего устройства 3 и подключает его к выходу двоичного счетчика 14. После переключения триггера 7 из "0" в "1" разрешается прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 5 тактовых импульсов через элемент И 13 на вход одновибратора 15. На инвертирующем выходе одновибратора 15 по положительному перепаду тактового импульса формируется управляющий сигнал Т_упр, длительность которого равна Т_упр = Т - Т_уст, где Т - перепад тактовых импульсов, Т_уст- время установления старшего разряда из группы младших (фиг. 4). Управляющий сигнал Т_упр включает ждущий генератор 10 прямоугольных импульсов и разрешает работу двоичного счетчика 14. На компенсирующее напряжение U(к) накладывается прямоугольный сигнал с выхода дополнительного ЦАП 6 с весом, равным весу самого младшего разряда, и частотой
F_ГИI0= , (4) где К - число импульсов с выхода ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов за время, равное
Т_упр = Т - Т_уст.
Компенсирующее напряжение U(к) вместе с наложенным прямоугольным сигналом в некоторые моменты времени больше или равно порогу срабатывания сравнивающего устройства 3, что вызывает его переключение из одного логического состояния в другое. Если при этом по каждому перепаду сигнала с выхода ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов через равные промежутки времени фиксируется логический уровень на выходе сравнивающего устройства 3, то по характеру полученной за время действия управляющего сигнала Т_упр последовательности "0" и "1" можно сделать следующие выводы.

Если количество логических "1" на выходе сравнивающего устройства 3 больше или равно количеству логических "0", то среднее значение компенсирующего напряжения (к) принимается больше порога срабатывания сравнивающего устройства 3 и в регистр 4 последовательных приближений записывается логическая "1".

Если количество логических "1" на выходе сравнивающего устройства 3 меньше количества логических "0", то в регистр 4 последовательных приближений записывается логический "0".

Функцию сравнения количества логических "0" и "1" выполняет двоичный счетчик 14. Он подсчитывает количество логических "1", приходящих с выхода сравнивающего устройства 3 за время действия управляющего сигнала Т_упр. К примеру, если счетчик двоичный четырехразрядный и имеет выходы с весом 1-2-4-8, то на выходе с весом "8" логическая "1" появляется только после поступления на вход счетчика девяти импульсов (логическая "1"). Если поступило меньше девяти логических "1", то на выходе счетчика 14 логический "0" и в регистр 4 последовательных приближений записывается логический "0".

Число импульсов наложенного прямоугольного сигнала, поступающего с выхода дополнительного одноразрядного ЦАП 6, вдвое меньше коэффициента пересчета двоичного счетчика 14 и в данном примере составляет К = 8.

Запись в счетчик 14 производится по положительным и отрицательным перепадам сигнала, поступающего с выхода ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов.

В результате сравнения за время действия управляющего сигнала Т_упрна выходе сравнивающего устройства 3 формируется логический сигнал Z по правилу
Z = _, (5) где Z - логический сигнал на выходе сравнивающего устройства 3.

Двоичный счетчик 14 фиксирует число событий Z = 1 в дискретные моменты времени, определяемые элементом И 12. После проведения n сравнений на выходе двоичного счетчика 14 возникает логический сигнал Y по правилу
=
Величина Y есть не что иное, как в цифровой форме оценка математического ожидания установившегося значения компенсирующего напряжения U(к) за время действия управляющего сигнала Т_упр:
M[U(K)] = lim U_j(K) (6)
Время Т_доп, необходимое для статистической обработки компенсирующего напряжения U(к), зависит от времени Т_су3 установления переходных процессов в сравнивающем устройстве 3 и от числа сравнений n, где n = 2К, К - число периодов наложенного прямоугольного сигнала с выхода дополнительного одноразрядного ЦАП 6:
Т_доп = Т_су3 n = Т_су3 2 К (7)
Исходя из выражения (7), старшим разрядом из группы младших разрядов будет тот разряд, у которого время Т_{доп i} = Т - Т_{уст i} больше или равно времени Т_доп = К Т_су3, если время Т_{доп i} определяет, начиная от самого старшего разряда.

Минимальное число импульсов наложенного прямоугольного сигнала К_минс выхода дополнительного одноразрядного ЦАП 6 может определить в зависимости от того, с какой доверительной вероятностью Р_дов находится среднее значение компенсирующего напряжения U(к):
K_мин= . (8)
К примеру, если в заявленном АЦП используется ЦАП К427ПН2 с временем установления Т_уст = 10 мкс и основной приведенной погрешностью _прив = 0,0015%, то из выражения (2) находят постоянную времени переходного процесса = 0,91 мкс. Отсюда из выражения (3)
Т_{уст 16} = 160,69 = 10 мкс; Т_{уст 11} = 6,9 мкс;
Т_{уст 15} = 9,4 мкс; Т_{уст 10} = 6,3 мкс;
Т_{уст 14} = 8,7 мкс; Т_{уст 9} = 5,6 мкс;
Т_{уст 13} = 8,2 мкс; Т_{уст 8} = 5,0 мкс;
Т_{уст 12} = 7,5 мкс; Т_{уст 7} = 4,4 мкс;
Т_{уст 6} = 3,8 мкс; Т_{уст 3} = 1,9 мкс;
Т_{уст 5} = 3,1 мкс; Т_{уст 2} = 1,2 мкс;
Т_{уст 4} = 2,5 мкс; Т_{уст 1} = 0,6 мкс.

Если в качестве сравнивающего устройства 3 взять компаратор К521СА3 с временем установления Т_су3 = 200 нс, причем число импульсов наложенного прямоугольного сигнала с выхода ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов равно К = 16, то время Т_доп, необходимое для статистической обработки компенсирующего напряжения U(к), определяется из выражения (7):
Т_доп = 2КТ_су3 = 2 160,2 мкс = 6,4 мкс.

Время Т_{доп i} больше Т_доп = 6,4 мкс, начиная с пятого разряда, который следует принять старшим разрядом из группы младших.

Схема для выделения моментов времени, в течение которых определяется логический уровень на выходе сравнивающего устройства 3, состоит из элемента И 12, элемента И 8, элемента НЕ 16, первого 17 и второго 18 формирователей импульсов. Схема работает следующим образом. Импульсы с ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов поступают на вход первого формирователя 17 импульсов, который формирует короткий импульс по положительному перепаду, и на вход второго формирователя 18 импульсов через элемент НЕ 16, который, в свою очередь, формирует короткий импульс по отрицательному перепаду сигнала с выхода ждущего генератора 10 прямоугольных импульсов. На выходе элемента ИЛИ 8 выделяется сумма коротких импульсов, поступающих с выходов первого 17 и второго 18 формирователей импульсов, которая и определяет моменты времени, в течение которых происходит определение логических уровней на выходе сравнивающего устройства 3 (фиг. 5).

Элемент 9 задержки предназначен для задержки срабатывания дополнительного одноразрядного ЦАП 6 на время, необходимое для выделения моментов времени, в течение которых определяются логические уровни на выходе сравнивающего устройства, и для записи этих логических уровней в двоичный счетчик 14.

Формула изобретения

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КОРРЕКЦИЕЙ СЛУЧАЙНОЙ ПОГРЕШНОСТИ, содержащий последовательно соединенные основной цифроаналоговый преобразователь, блок суммирования, сравнивающее устройство, второй вход которого является входной шиной, регистр последовательных приближений, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, дополнительный цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым входом блока суммирования, триггер, элемент ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены элемент задержки, управляемый генератор импульсов, мультиплексор, два элемента И, счетчик , одновибратор, элемент НЕ, два формирователя импульсов, выходы которых соединены с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым информационным входом мультиплексора и подключен к выходу сравнивающего устройства, а выход соединен со счетным входом счетчика, вход установки в "0" которого объединен с управляющим входом управляемого генератора импульсов и подключен к выходу одновибратора, а выход переполнения соединен с вторым информационным входом мультиплексора, упрвляющий вход которого объединен с первым входом второго элемента И и подключен к выходу триггера, R- и S-входы которого соединены соответственно с выходом "Конец преобразования" и выходом старшего разряда группы младших разрядов регистра последовательных приближений, выходы группы старших и младших разрядов которого являются выходной шиной и соединены с соответствующими входами основного цифроаналогового преобразователя, причем второй вход второго элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом одновибратора, выход управляемого генератора импульсов соединен с входом первого формирователя импульсов, через элемент задержки - с входом дополнительного цифроаналогового преобразователя, а через элемент НЕ - с входом второго формирователя импульсов, при этом выход мультиплексора соединен с информационным входом регистра последовательных приближений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5